Kvantové obvody se navrhují ručně a každá chyba se prodraží. Vědci z Harvardu, Anthropicu a společnosti QuEra teď ukázali, že to zvládne jazykový model sám. Model Claude Mythos 5 v uzavřené smyčce, do které nikdo nemluví, navrhl obvody až 9100násobně úspornější než nejlepší lidské návrhy.
Uzavřená smyčka bez lidského zásahu
Princip je jednodušší, než zní. Systém nechá model Claude Mythos 5 vygenerovat celý kvantový obvod jako Python program. Klasický simulátor (model kickmix) pak program spustí, ověří, že počítá to, co má, a spočítá dvě hodnoty: kolik obvod potřebuje qubitů a kolik kvantových hradel. Součin času a paměti, takzvaný T×Q náklad, určuje, jak drahý výpočet ve skutečnosti bude. Model dostane výsledek jako zpětnou vazbu a navrhne lepší verzi. Dokola. Žádný člověk do smyčky nezasahuje. Slovo „celý program" je tu důležité. Nešlo o drobné přepisy jednotlivých hradel, ale o návrh kompletních obvodů napříč různými algoritmickými rodinami. To je rozdíl proti dřívějším nástrojům, které uměly lokálně ušetřit pár hradel, ale neviděly celkovou architekturu.Výsledky proti nejlepším lidským obvodům
Autoři systém otestovali na osmi úlohách z chemie, optimalizace, kvantové simulace a teorie čísel. V sedmi z nich AI porazila dosavadní ručně psané rekordy. Zisk se počítá jako násobek úspory času a počtu qubitů:- Reed–Solomon DQI dekodér: 12× úspora
- Hermitian DQI dekodér: více než 9100× úspora
- HHL rotační úhel (arcsin): 32×
- Coulombův potenciál: 9,9×
- Gaussova funkce (e−x²): 39×
- chemie Fe₂S₂ (alias select): 4,1×
- neabelovská mřížková simulace: 7,7×
- prvočíselná modulární inverze: nová architektura divsteps
Tři principy, které model našel
Během evolučního hledání se opakovaně vynořily tři principy, které autoři považují za obecné poznatky pro návrh obvodů. První: podmíněné směrování místo podmíněné aritmetiky. Místo drahého počítání každé větve zvlášť obvod levnými řízenými SWAP hradly přesměruje data do jediné sdílené, nekontrolované výpočetní části. Druhý: dekódování větví přímo z aritmetického stavu. Obvod si nemusí pamatovat historii větvení v obřích zásobnících qubitů, protože volbu větve jde zpětně odvodit z matematických invariantů v právě aktualizovaných registrech. Třetí: omezené rezervy s rozpočtem na chyby. Zásobníky a smyčky se dimenzují na typický vstup, ne na nejhorší možný případ. Dovolení malé, kontrolované chybovosti (zhruba 10⁻⁴) ušetří stovky pomocných qubitů.Modulární inverze a šifrování
Osmá úloha má přímou vazbu na něco, co používáme denně. Modulární inverze je základní operace eliptické kryptografie, na které stojí HTTPS, digitální podpisy i blockchain. Model tady našel novou reversibilní architekturu algoritmu divsteps, který byl dřív pro kvantové obvody považovaný za nepoužitelný kvůli nutnosti ukládat historii větvení. Claude odvodil 2-adický matematický vzorec, který volby větví extrahuje přímo z aktualizovaných registrů. Tvrzení ověřil v dokazovacím systému Lean. 87,6 % nejednoznačných větví dekóduje přímo, zbylých 12,4 % ukládá na 60qubitový zásobník. Výsledek posouvá hranici pro fault-tolerant sčítání bodů na eliptické křivce. Proč to zmiňovat v Česku? Šifrování založené na eliptických křivkách je dnes v srdci webu a dostatečně velký kvantový počítač by je uměl prolomit Shorovým algoritmem. Státy Evropské unie proto souběžně přecházejí na postkvantovou kryptografii. Úspornější reversibilní aritmetika znamená, že takové výpočty budou reálně spustitelné dříve.Hranice výsledků
Čísla je třeba číst střízlivě. Obvody běží v klasickém simulátoru, ne na skutečném kvantovém procesoru, a jde o fault-tolerant obvody určené pro budoucí stroje s opravou chyb. Násobky úspory jsou navíc doložené vůči ručně psaným referenčním obvodům, ne vůči všem možným přístupům. Silné je ale srovnání s lidským postupem. U simulace chemického klastru FeMoco klesl odhad nutných Toffoliho hradel za osm let lidské práce z 50 bilionů (z roku 2017) na zhruba 340 milionů, tedy asi 150 000násobek. AI systém u jiné úlohy přišel na novou architekturu modulární inverze za jediný 53hodinový autonomní běh. Studie vyšla na arXiv pod číslem 2610.22367 a Anthropic k ní vydal shrnutí Designing more efficient quantum circuits with Claude. Přehled výsledků jako první zpracoval Quantum Computing Report.Jak se liší fault-tolerant kvantový počítač od dnešních strojů?
Dnešní kvantové počítače, takzvané NISQ stroje, mají desítky až stovky fyzických qubitů a neumějí plně opravovat chyby. Fault-tolerant počítač staví logické qubity z mnoha fyzických a chyby průběžně opravuje. Právě tato redundance stojí nejvíc prostředků, takže čím úspornější obvod, tím dříve se reálný výpočet obejde bez chyb.
Proč autoři sledují součin T×Q a ne jen počet qubitů?
Počet qubitů sám o sobě nic neříká, když výpočet trvá příliš dlouho. Qubity představují paměť, hradla čas. Součin obou hodnot lépe odhadne celkovou cenu a rychlost výpočtu, proto ho studie používá jako hlavní metriku.
Co konkrétně ověřil dokazovací systém Lean?
Lean neověřoval celý kvantový obvod, ale konkrétní 2-adický matematický vzorec, kterým model odvozuje volbu větví přímo z registrů. Formálně potvrdil, že odvození je správné, tedy že obvod nemusí ukládat historii větvení.
