Quantum 'Echoes' odhaľujú potenciál kvantového počítača Google

Vedci potrebujú dokázať správnosť výpočtov kvantových počítačov, aby zmenili svet výpočtovej techniky. Teraz svitá nádej.

Tím výskumníkov tvrdí, že kvantový čip Willow od spoločnosti Google dosiahol overiteľnú kvantovú prevahu. Ide o kvantový výpočet, ktorý je zjavne mimo dosahu tradičného, klasického počítača, ale s výsledkom, o ktorom sa dá potvrdiť, že je správny. Výsledok výpočtu, publikovaný 22. októbra v časopise Nature, by mohol byť overený iným kvantovým počítačom – hoci sa tak ešte nestalo.

Overenie je základným krokom smerom k potenciálnemu využitiu kvantových počítačov. "Ak vám nemôžem dokázať, že údaje sú správne, ako s nimi môžem niečo robiť?" povedal fyzik Tom O'Brien zo spoločnosti Google Quantum AI v Santa Barbare v Kalifornii na tlačovej konferencii 17. októbra.

Výpočet, ktorý meria jav prezývaný "kvantové ozveny", beží na čipe Willow 13 000-krát rýchlejšie ako na superpočítači Frontier – jednom z najvýkonnejších na svete. Celý súbor výpočtov by si vyžiadal približne 150 rokov času superpočítača Frontier, čo znemožňuje klasický výpočet. Na Willow to trvalo len niekoľko dní výpočtového času.

Komentár redakcie: Tento článok pojednáva o nedávnom úspechu spoločnosti Google v oblasti kvantových počítačov, konkrétne o dosiahnutí overiteľnej kvantovej prevahy s ich čipom Willow. Zjednodušuje zložité pojmy, ako sú kvantové ozveny a Shor's algoritmus, a zdôrazňuje význam overovania vo výpočtoch. Článok okrem toho poskytuje pohľad do budúceho potenciálu kvantových počítačov, hoci zdôrazňuje, že ešte stále musia prekonať výzvy.

"Je celkom presvedčivé, že na simuláciu tohto [s klasickým počítačom] by ste potrebovali kombináciu obrovského výpočtového úsilia a niektorých algoritmických vylepšení, s ktorými ľudia ešte neprišli, ale nie je bláznivé si predstaviť, že by to dokázali," hovorí kvantový fyzik Aram Harrow z MIT, ktorý sa na výskume nepodieľal. Po predchádzajúcich tvrdeniach o kvantovej výhode často nasledovali vylepšené klasické výpočty, ktoré túto výhodu vymazali.

Niektoré ďalšie tvrdenia o kvantovej výhode mali určitú úroveň overenia, ale toto overenie bolo neefektívne, hovorí počítačový vedec Scott Aaronson z Texaskej univerzity v Austine, ktorý sa na výskume nepodieľal. Napríklad, ako sa výpočet zväčšuje, čas potrebný na jeho overenie exponenciálne rastie. Nový výpočet spoločnosti Google by bol efektívny na overenie, ak by existoval iný kvantový počítač s podobnými schopnosťami.

Efektívne overiteľná kvantová výhoda bola jednou z najväčších výziev, ktorým táto oblasť v posledných rokoch čelí, hovorí Aaronson. "Toto je slušný kandidát."

Ešte lepšie by však bol algoritmus, ktorý by mohol overiť klasický počítač, a nie iný kvantový počítač, hovorí Harrow. Napríklad, jednou z najznámejších aplikácií kvantových počítačov, Shor's algoritmus, sa dá ľahko skontrolovať. Rozkladá extrémne veľké celé číslo na dva prvočinitele. Pre veľké čísla by táto úloha trvala na klasickom počítači neprakticky dlhý čas. Obtiažnosť výpočtu týchto prvočísel je základom šifrovania, ktoré zabezpečuje dáta na internete. Ale dostatočne výkonný kvantový počítač spúšťajúci Shor's algoritmus by mohol tieto prvočísla odvodiť. Keď by to urobil, klasický počítač by ich jednoducho vynásobil, aby skontroloval, či sa zhodujú s pôvodným číslom.

Kvantové ozveny nie sú také jednoduché. Kvantové ozveny, vedecky známe ako out-of-time-order correlators, sú signálom chaosu v systéme. Je to "niečo ako efekt motýľa, kde do niečoho strčíte na jednom mieste a potom veľmi ďaleko v neskoršom čase dôjde k poruche," hovorí Harrow.

Výpočet kvantových ozvien zahŕňa vykonávanie rôznych náhodných operácií na kvantových bitoch počítača, alebo qubitoch. Tieto operácie sa potom obrátia, čím sa efektívne spustí čas dozadu na začiatok. To umožňuje výskumníkom získať overiteľný signál z chaotického systému, ktorý by inak informácie zničil.

Výskumníci použili 65 qubitov z Willow na výpočet kvantovej ozveny, pričom operácie spúšťali dopredu a dozadu, dvakrát. Pred každým obrátením času bolo niekoľko qubitov upravených. Táto technika vytvára zložitý efekt kvantovej interferencie, ktorý sa dá ťažko vypočítať klasicky.

Výskumníci tvrdia, že ich algoritmus je krokom k praktickému využitiu kvantových počítačov. V ešte nerecenzovanej štúdii, ktorá bola 22. októbra zverejnená na arXiv.org, výskumníci a spolupracovníci spoločnosti Google pomocou tejto techniky vypočítavajú, ako sú určité časti dvoch molekúl usporiadané navzájom v 3D priestore. Demonštrácie sa zhodovali s výsledkami typickej laboratórnej techniky – nukleárnej magnetickej rezonancie. Zatiaľ však neprekonávajú klasické výpočty.

Napriek tomu, Harrow hovorí, "pripojenie ich kvantového počítača k skutočnému experimentu je veľmi pekné vidieť."