Физики повторили квантовый расчёт D-Wave на одном ядре обычного процессора за 2 часа
Почему квантовое превосходство снова отложили: разбор прорыва с тензорными сетями
В начале 2025 года D-Wave отрапортовала: их квантовый симулятор Advantage2 решил задачу, неподвластную обычным компьютерам. Спиновое стекло из 300 частиц — мол, классике потребуются тысячелетия. Но прошло всего несколько месяцев — и физики из Нью-Йорка поставили жирную точку в этом триумфе. Они взяли обычный процессор Intel Icelake, написали хитрый алгоритм на основе тензорных сетей — и не просто повторили результат, а получили даже более точные данные. И всё это за пару часов на одном ядре. Без суперкомпьютеров, без миллионов долларов. Как им это удалось? Давайте разберёмся.
В чём подвох спинового стекла
Представьте кучу крошечных магнитиков — спинов. В обычном магните они все смотрят в одну сторону. В спиновом стекле связи между ними хаотичны: иногда соседи хотят быть вместе, иногда — наоборот. Возникает геометрическая фрустрация — система не может успокоиться, нет единого энергетического минимума. А если ещё приложить внешнее магнитное поле и медленно его убирать (квантовый отжиг), спины запутываются. Квантовая запутанность — штука красивая, но математически ужасная: для N частиц классическому компьютеру нужно хранить 2^N чисел. Для 300 спинов это больше, чем атомов во Вселенной. D-Wave на этом и строила заявление о квантовом превосходстве.
Но природа часто оказывается экономнее, чем наши модели. Реальная запутанность — не глобальная, а локальная. Частицы сильно связаны только с ближайшими соседями. Этим и воспользовались авторы работы.
Тензорные сети: как обмануть экспоненту
Вместо того чтобы хранить весь гигантский вектор состояний, тензорная сеть представляет волновую функцию через набор маленьких таблиц — тензоров. Каждый тензор отвечает за одну частицу и её связи с окружением. Точность модели регулируется параметром виртуальной размерности связи (хи). Чем больше хи — тем выше точность, но и затраты памяти растут. Беда в том, что в двумерных и трёхмерных решётках есть замкнутые петли. Информация начинает бесконечно циркулировать, и простые алгоритмы сходят с ума.
Двухэтапный обходной манёвр
Авторы разделили расчёт на две фазы. Сначала — динамика (сам квантовый отжиг). Они разбили время на крошечные шаги по 0,01 наносекунды. На каждом шаге обновляли тензоры, используя упрощённый алгоритм, который игнорировал глобальные петли. При этом держали хи = 32 — достаточно высокое, чтобы не потерять запутанность. Память не взрывалась, потому что считали только локальные изменения. Затем — финальное измерение. После отжига сеть стала очень сложной. Её сжали: уменьшили хи до 10, но не случайно, а с помощью алгоритма распространения убеждений (Belief Propagation). Это позволило сохранить ключевую информацию. Для двумерных решёток использовали метод MPS Message Passing, для трёхмерных — петлевые поправки. Итог — точность выше, чем у квантового чипа.
Цифры, которые впечатляют
| Параметр | Квантовый D-Wave Advantage2 | Классический алгоритм (Intel Icelake) |
|---|---|---|
| Число спинов | до 300 | до 300 |
| Время расчёта | не указано (аппаратное время) | 2 часа 12 мин (одно ядро) |
| Потребление памяти | криогенная установка + кубиты | 40 МБ |
| Погрешность | выше экспериментального шума | ниже шума квантового процессора |
| Масштабируемость | экспоненциальная на классическом симуляторе | линейная по числу частиц |
Для трёхмерной алмазной решётки из 50 кубитов классике потребовалось всего 40 мегабайт оперативки. Стандартные методы (TEBD) за трое суток даже не сошлись к ответу при хи=1024. А новый алгоритм рассчитал показатель Киббла-Зурека — критическую величину, описывающую дефекты при фазовом переходе. Полученное значение (мю ≈ 2,75) отлично совпало с независимыми расчётами методом Монте-Карло.
Личное наблюдение автора
Недавно я заметил, что многие до сих пор считают: «квантовые компьютеры решат всё, а классика — прошлый век». Но реальность сложнее. Каждый раз, когда квантовщики поднимают планку, теоретики находят лазейку. Тензорные сети — не панацея, но они показывают: наш старый добрый кремний ещё может удивить. D-Wave решили одну конкретную задачу — физики придумали, как сжульничать, используя локальность взаимодействий. Квантовое превосходство — это движущаяся мишень, и гонка продолжается.
Резюме
Квантовое превосходство снова отложено. Классические алгоритмы на тензорных сетях и методах передачи сообщений доказали: для многих практически важных задач не нужны миллиарды кубитов. Иногда одного ядра Intel и 40 МБ памяти достаточно, чтобы переиграть разрекламированный квантовый симулятор. Это не значит, что квантовые компьютеры бесполезны. Но их истинное преимущество — в других задачах, например, в моделировании химических реакций. А для спиновых стёкол — победа за классикой.
Источник: препринт arXiv:2503.05693 (ссылка удалена по требованиям редакции)
