Komputer kwantowy Quantinuum
Quantinuum
Czego nie możną zrobić klasyczne komputery, a co absolutnie niemożliwe jest dla ich kwantowych odpowiednikow? To jedno z najważniejszych pytań stojących przed dynamicznie rosnącym przemysłem, i teraz wreszcie mamy niezbity odpowiedź.
Zamiast klasycznych bitów, kwantowe komputery używają kubitów, które mogą istnieć w więcej stanów niż „0” lub „1”, teoretycznie dając im przewagę obliczeniową. Jednak to, czy kwantowy komputer może zrobić coś niemożliwego albo praktycznego nawet dla najlepszych tradycyjnych komputerów – wyczyn kwantowej supremacji – okazało się trudne i kontrowersyjne zadanie do rozwiązania. Wynika to z faktu, że prawdziwy przykład kwantowej supremacji musi być zadaniem obliczeniowym, które jest praktyczne, aby można było przetestować je na realistycznym sprzęcie kwantowym, oraz udowadnialne, aby wszystkie matematyczne i algorytmiczne sztuczki, które mogłyby pomóc klasycznemu komputerowi w końcu dorównać, zostały rygorystycznie wykluczone.
William Kretschmer z University of Texas w Austin i jego koledzy przeprowadzili teraz eksperyment, który spełnia oba te kryteria. W przeciwieństwie do kilku wcześniejszych twierdzeń o kwantowej supremacji, gdzie klasyczne komputery ostatecznie zniwelowały przewagę wydajnościową między nimi a ich rywalami kwantowymi, badacze twierdzą teraz, że „nasz wynik jest udowodniony i trwały: żadne przyszłe rozwinięcia w klasycznych algorytmach nie mogą zniwelować tej przewagi”.
Zespół posłużył się 12 kubitami wykonanymi z jonów sterowanych laserami, które zostały zbudowane przez firmę kwantowych obliczeń Quantinuum, aby przeprowadzić eksperyment zakorzeniony w matematyce złożoności komunikacyjnej. Celem jest znalezienie najbardziej efektywnych sposobów dla dwóch hipotetycznych eksperymentatorów, nazwanych Alice i Bob, aby ukończyć obliczenie poprzez wysyłanie sobie nawzajem wiadomości.
Jedna część komputera kwantowego, działająca jako Alice, przygotowuje określony stan kwantowy i wysyła go do innej części maszyny, Boba, który musi zdecydować, jak zmierzyć stan Alicji, aby poznać jego właściwości i wygenerować wynik. Poprzez powtarzanie tego procesu, para może opracować sposób przewidzenia, jaki będzie wynik Boba przed tym, zanim zdradzi swój stan.
Badacze powtórzyli procedurę 10 000 razy i zoptymalizowali sposób, w jaki Alice i Bob wykonywali swoje role w procesie. Analiza wszystkich tych prób, połączona z rygorystycznym matematycznym dochodzeniem protokołu samych procedur, pokazała, że żaden klasyczny algorytm z mniej niż 62 bitami nie mógł dorównać wydajności 12-kubitowego komputera kwantowego w tym zadaniu. Najmniejszy przypadek, gdzie mogli udowodnić, że klasyczny algorytm mógł osiągnąć taką samą wydajność, wymagał 330 bitów – prawie 30-krotna różnica w mocy obliczeniowej.
„Jest to niezwykły wynik naukowy, który pokazuje, że przewagi kwantowe mają szerszy obszar niż niektórzy by mogliby myśleć – mówi Ashley Montanaro z University of Bristol w Wielkiej Brytanii. – W przeciwieństwie do większości demonstracji przewagi kwantowej, nie ma nadziei, że będzie znaleziono lepszy klasyczny algorytm – jest to niemożliwe”.
Ronald de Wolf z Instytutu Badań w Dziedzinie Matematyki i Informatyki w Holandii mówi, że eksperyment faktycznie wykorzystuje ostatnie szybkie postępy w istniejących komputerach kwantowych i opiera się na pomysłach z teorii złożoności komunikacyjnej, które były eksplorowane od kilku dekad.
„Wiadome już było, że złożoność komunikacyjna jest źródłem różnic między kwantowymi a klasycznymi, które są zarówno udowodnione, jak i realistyczne. Różnica polega na tym, że aktualnie mogli rzeczywiście zastosować ten model po raz pierwszy, dzięki postępowi w sprzęcie” – mówi. – I wymyślili nowy problem związany z złożonością komunikacyjną z większą przepaścią między klasycznym a kwantowym, a zatem różnica już się demonstruje nawet gdy używa się tylko 12 kubitów”.
Choć nowy wynik wyróżnia się spośród wielu poprzednich dowodów kwantowej supremacji, związany jest z nimi jedną ważną cechą: nie jest jasne, czy może być on natychmiast użyteczny. Brak potwierdzeń w kwestii udowodnienia przykładów przewagi kwantowej, które mogłyby mieć duże konsekwencje w rzeczywistości, takie jak algorytm Shora, który mógłby radykalnie zmienić kryptografię.
Idąc naprzód, zespól mógłby wzmocnić swój wynik poprzez, na przykład, uczynienie Alice i Boba dwoma osobnymi komputerami, co zapobiegłoby możliwościom nieuwzględnionych interakcji między nimi, wpływających na wynik komputera kwantowego, ale ważniejsze jest pytanie dotyczące użyteczności kwantowej supremacji – mówi de Wolf.
„Poza [kwantową] supremacją powinien nastąpić krok w kierunku użytecznej [kwantowej] supremacji i kwantowy komputer robiący coś znacznie lepiej niż klasyczny w przypadku problemu, który faktycznie jest interesujący, jak obliczenia chemiczne lub optymalizacja logistyki” – dodaje.
Tematy:
