Улучшенные квантовые вычисления с помощью обратного проталкивания операторов

Почему важно сокращать квантовые программы

Современные квантовые компьютеры мощны, но хрупки: их кубиты теряют тонкое квантовое состояние, если программы работают слишком долго. В этой статье рассматривается узкое место такого рода. Авторы показывают, как переложить часть квантового вычисления на обычный компьютер хитрым образом, так чтобы квантовое оборудование выполняло только более короткую, менее зашумлённую программу и при этом давало тот же итоговый ответ для интересующей величины. Эта гибридная стратегия, называемая обратным проталкиванием операторов, позволяет получить больше научной пользы от несовершенных квантовых машин.

Распределение работы между двумя типами машин

Многие квантовые алгоритмы сводятся к одной задаче: подготовить квантовое состояние с помощью схемы, а затем измерить, насколько сильно оно реагирует на некоторый зонд — наблюдаемый оператор. Обычно вся схема и финальное измерение выполняются на квантовом устройстве, поэтому оборудование должно оставаться когерентным на протяжении всех шагов. Новая схема вместо этого делит исходную схему на две части. Одна часть всё ещё выполняется на квантовом чипе, а вторая обрабатывается на классическом компьютере путём математического «проталкивания» наблюдаемого обратно через те ворота. Это превращает одно сложное итоговое измерение в набор более простых измерений, которые можно сделать после гораздо более короткой квантовой программы.

Превращая один вопрос во множество простых

Ключевая идея — смотреть на задачу с точки зрения наблюдаемого, а не квантового состояния. На классическом компьютере наблюдаемый эволюционирует назад через выбранную часть схемы — процесс, который авторы называют обратным проталкиванием операторов. При этом он разлагается в взвешенную сумму множества базовых составляющих, известных как операторы Паули. Каждую из этих составляющих легко измерить на квантовом устройстве. Экспериментатор запускает укороченную схему на оборудовании, измеряет все необходимые операторы Паули и затем комбинирует результаты с использованием заранее вычисленных весов. Компромисс очевиден: квантовые схемы становятся мельче и, следовательно, менее чувствительны к шуму, но требуется больше отдельных схем и измерений.

Делаем классическую часть достаточно быстрой

Наивное проталкивание наблюдаемого обратно через множество квантовых ворот ведёт к взрывному росту вычислительных затрат, поскольку число паулиевских составляющих может очень быстро увеличиваться. Чтобы держать классическую нагрузку под контролем, авторы опираются на технику, называемую теорией возмущений Клиффорда. Этот метод использует структуру ворот, чтобы отслеживать, как меняется наблюдаемый, и безопасно отбрасывать члены, вклад которых будет ничтожен. Они разрабатывают практические правила для оценки и ограничения ошибки, вводимой при отбрасывании таких малых членов, и объясняют, как организовать расчёт так, чтобы его можно было эффективно распределить по множеству классических вычислительных узлов — среде, которую они называют квантово‑центристским суперкомпьютингом.

Испытание метода на модульных магнитах

Чтобы проверить, окупается ли эта стратегия на реальном оборудовании, команда применила её к стандартной тестовой задаче в квантовой физике: моделированию решётки квантовых спинов, взаимодействующих как магнит, известной как модель XY. Они рассмотрели системы из 75 и 127 спинов, напрямую отображённые на сверхпроводящие квантовые процессоры IBM. Эволюция во времени этих спинов аппроксимировалась последовательностью повторяющихся блоков ворот, а главной интересующей величиной была средняя ориентация спина, которая в идеальной безшумной эволюции должна оставаться постоянной. С помощью обратного проталкивания операторов они укоротили квантовые схемы на эквивалент пяти таких блоков, переложив удалённую часть на классическую сторону.

Более точные результаты и детальнее снимки во времени

Для одномерных и двумерных моделей спинов гибридный подход стабильно давал более точные оценки средней ориентации спина, чем выполнение схем полной глубины на квантовом устройстве, даже когда обоим методам давали одинаковое общее число экспериментальных бросков. Укороченные схемы меньше страдали от аппаратного шума и требовали меньшего числа квантовых операций на один бросок. Вторая выгода возникла дополнительно: повторно используя те же данные измерений, схема позволила исследователям восстановить, как изменялись отдельные спины в многочисленные промежуточные моменты времени, хотя оборудование запускали лишь в нескольких грубых временных точках. Эта возможность «заполнять» динамику между измерениями даёт более насыщенную картину моделируемой системы без дополнительных квантовых запусков.

Что это значит для будущего квантовых вычислений

Работа демонстрирует, что мы можем расширить потенциал современных зашумлённых квантовых процессоров, тесно связав их со смышлеными классическими алгоритмами. Вместо того чтобы полагаться на всё более сложные коды коррекции ошибок, обратное проталкивание операторов сокращает время, в течение которого квантовое устройство должно оставаться надёжным, и переносит часть нагрузки на классические вычисления, стоимость которых можно масштабировать с помощью обычных суперкомпьютеров. Хотя метод лучше всего работает для схем с определённой структурой и не может переложить полностью всю работу, он уже улучшает точность масштабных физических моделирований. По мере того как исследователи улучшают эти гибридные приёмы и находят всё больше подходящих задач, можно ожидать, что квантовое оборудование принесёт полезные научные результаты раньше, чем появятся полностью устойчивые к ошибкам машины.

Цитирование: Fuller, B., Tran, M.C., Lykov, D. et al. Improved quantum computation using operator backpropagation. npj Quantum Inf 12, 51 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01196-0

Ключевые слова: гибридные квантовые вычисления, смягчение ошибок, квантовое моделирование, обратное проталкивание операторов, квантовые компьютеры промежуточного масштаба с шумом