IBM väittää kvanttietulyöntiasteen aikakauden alkaneen: kolme todennettua demonstraatiota päihittää klassiset tietokoneet

Mitä kvanttietulyöntiaste tarkoittaa?

Kvanttietulyöntiaste eli quantum advantage on se piste, jossa kvanttitietokone pystyy suorittamaan tehtävän tarkemmin, halvemmalla tai tehokkaammin kuin yksikään tunnettu klassinen menetelmä . IBM:n julkaisema viitekehys (arXiv:2506.20658) edellyttää kahta kriteeriä: ensinnäkin kvanttituloksen oikeellisuus on kyettävä todentamaan luotettavasti, ja toiseksi kvanttilaskennan on osoitettava olevan parempi tehokkuudessa, kustannustehokkuudessa tai tarkkuudessa verrattuna klassisiin menetelmiin . Nämä kolme tutkimusta suunniteltiin täyttämään molemmat kriteerit samanaikaisesti .

Kolme demonstraatiota

1. IBM ja Algorithmiq: Kvanttimateriaalin simulointi klassisten menetelmien ulottumattomissa

Tässä tutkimuksessa simuloitiin Algorithmiqin suunnittelemaa heterogeenistä kvanttimateriaalia IBM Quantum Heron -prosessorilla. Malli kuvaa ohjelmoitavaa kvanttiainetta, jossa informaation kulku, lokalisoituminen ja interferenssi ovat säädettävissä – tämä on ongelmatyyppi, joka on olennainen katalyyttien ja akkuelektrolyyttien suunnittelussa .

Keskeinen tulos: Kahdeksan kuukautta sen jälkeen, kun ongelma julkaistiin ensimmäisen kerran Quantum Advantage Trackerissa, yksikään klassinen menetelmä ei kyennyt tuottamaan luotettavia tuloksia koko ongelma-alueella .

Miten tulos todennettiin: Klassiset simulointimenetelmät tuottivat keskenään ristiriitaisia ennusteita – ne eivät pystyneet sopimaan oikeasta vastauksesta. Tutkimusryhmä kehitti uuden luotettavan kvanttilaskennan viitekehyksen, jossa käytettiin kohinan manipulointia: he lisäsivät tarkoituksella hallittua kohinaa, muuttivat porttien kalibrointeja ja ajoivat laskennan useilla eri IBM-prosessoreilla. Kvanttitulos pysyi vakaana vaihtelevista kohinaolosuhteista huolimatta, mikä osoitti, että todellista fysikaalista arvoa laskettiin oikein .

Kutsu yhteisölle: Algorithmiq avoimesti julkaisi oman parhaan klassisen menetelmänsä, monopropin, molekyylien perustilojen simulointiin. Näin mikä tahansa tutkimusryhmä voi käyttää sitä tulevien kvanttietulyöntiasteväitteiden testaamiseen .

2. IBM ja Chicagon yliopisto: 70 loogista kubittia virheenkorjauksella

Tässä tutkimuksessa käytettiin uudenlaista koodattujen (virheenkorjattujen) kvanttipiirien rakennetta yhden suurimmista koskaan raportoiduista loogisista kvanttilaskentademonstraatioista toteuttamiseen: 70 loogista kubittia, 2 415 loogista kahden kubitin operaatiota ja 468 loogista T-porttia. Loogisten virheiden määrä oli 10 kertaa pienempi kuin fyysisten virheiden määrä, mikä vahvisti, että virheenkorjaus toimi tehokkaasti .

Keskeinen tulos: Kvanttilaskenta valmistui noin 15 minuutissa. Vastaavan tehtävän suorittaminen johtavilla klassisilla simulointimenetelmillä olisi vaatinut kohtuuttoman pitkiä suoritusaikoja .

Miten tulos todennettiin: Tutkimusryhmä kehitti strukturoidun vaihtoehdon satunnaispiirinäytteenotolle (RCS), joka säilyttää samat vaativuuskriteerit mutta mahdollistaa virheiden havaitsemisen laskennan aikana ja antaa tilastollisen luottamuksen tulosten tarkkuuteen .

Kutsu yhteisölle: Piirit ja tulokset julkaistiin avoimesti Quantum Advantage Trackerissa yhteisön vertailtaviksi .

3. IBM ja Qedma: Monen kappaleen fysiikka 74 kubitilla, ristiintodennus loukkuioneilla

Tässä tutkimuksessa käytettiin Qedman QESEM-virheenlievennysohjelmistoa IBM Quantum Heron -prosessoreilla tutkimaan kaksiulotteisen Floquet-ising-mallin (ohjatun magneettisen järjestelmän) dynamiikkaa järjestelmissä, joissa on jopa 74 kubittia. Tutkimus paljasti monimutkaisia, pitkäikäisiä kvanttioskillaatioita, joita klassiset menetelmät eivät kyenneet johdonmukaisesti toistamaan .

Keskeinen tulos: Klassiset simulaatiot, jotka ajettiin Fugaku-super-tietokoneella (yksi maailman tehokkaimmista, RIKEN-instituutin kautta) ja BlueQubitin menetelmillä, eivät kyenneet tuottamaan johdonmukaisia tuloksia kvanttikoekokoluokassa, kun taas virheenlievennetyt kvanttitulokset pysyivät johdonmukaisina .

Miten tulos todennettiin: Kolmitasoinen strategia: (1) puolueeton virheenlievennys testattiin klassisia laskentoja vastaan pienemmissä mittakaavoissa, joissa klassiset menetelmät ovat edelleen luotettavia; (2) sitten skaalautuvaa lievennysmenetelmää sovellettiin suurempiin kokoihin; ja (3) riippumaton ristiinalustatodennus Quantinniumin loukkuioni-järjestelmillä vahvisti, että havaitut fysikaaliset ilmiöt eivät olleet riippuvaisia IBM:n laitteistosta .

Kutsu yhteisölle: Kvanttipiirit ja tulokset julkaistiin julkisesti Quantum Advantage Trackerissa ennen arXiv-verkkojulkaisua .

Läpileikkaavia teemoja

Quantum Advantage Tracker

Kaikki kolme tutkimusryhmää julkaisi ongelmansa ja tuloksensa IBM:n avoimen lähdekoodin Quantum Advantage Trackerissa – tämä on ensimmäinen laatuaan oleva yhteisöalusta, joka mahdollistaa kvantti- ja klassisten menetelmien järjestelmällisen vertailun reaaliajassa . Mikä tahansa tutkimusryhmä voi yrittää kumota kvanttiväitteet paremmilla klassisilla algoritmeilla, ja seuranta näyttää vertailun avoimesti .

Luottamuksen todentamisen ongelma

Aikaisempia kvanttiylivoimaväitteitä (kuten Googlen vuoden 2019 Sycamore-koe) on kritisoitu siitä, että kvanttitulosta ei voitu todentaa itsenäisesti. IBM:n keskeinen kontribuutio kaikissa kolmessa tutkimuksessa on menetelmä, jolla kvanttituloksiin voidaan rakentaa luottamusta silloinkin, kun klassinen todentaminen on mahdotonta: kohinamanipulaation stabiilisuustarkistukset, virheitä havaitsevat piirirakenteet ja ristiinalustatodennus eri laitteistoilla .

Tie eteenpäin

Jay Gambetta, IBM Researchin johtaja, totesi: ”Kvanttitietokoneet ovat saavuttaneet pisteen, jossa ne pystyvät esittämään todisteita etulyöntiasteen peruskriteereistä: ne voivat ylittää johtavat klassiset menetelmät ja samanaikaisesti tuottaa tuloksia, joihin voimme luottaa” . Kesäkuussa 2026 IBM sitoutui yli 10 miljardin dollarin panostukseen kvanttitiekartalleen, ja tavoitteena on toimittaa vikasietoinen kvanttitietokone (IBM Quantum Starling) vuoteen 2029 mennessä .