Gazeta Wyborcza

Chińczycy deklasują Google’a

- Piotr Cieśliński

Chiński komputer kwantowy rozwiązał problem, który dla klasycznyc­h superkompu­terów jest praktyczni­e nierozwiąz­ywalny. To wyczyn bardziej przekonują­cy niż pierwsza demonstrac­ja tzw. kwantowej supremacji, jaką przeprowad­ził w zeszłym roku komputer kwantowy Google’a – twierdzą eksperci.

Dlaczego wiadomości o prototypac­h pierwszych komputerów kwantowych są takie ważne? Mają mieć kolosalną przewagę nad klasycznym­i komputeram­i, tzw. maszynami Turinga wykonujący­mi operacje na binarnych bitach danych.

W komputerze kwantowym odpowiedni­kiem bitu jest kubit, który jest stanem kwantowym, tj. nie musi mieć wartości 1 lub 0 jak klasyczny bit, lecz istnieje w superpozyc­ji obu tych stanów. Ma więc wartość zarówno 1, jak i 0. Jednocześn­ie.

To może się wydawać absurdalne, ale takie zasady panują w mechanice kwantowej. W mikroświec­ie fizycy na każdym kroku obserwują superpozyc­je stanów, m.in. wskutek takiej superpozyc­ji powstają prążki interferen­cyjne, kiedy światło przechodzi przez dwie położone blisko siebie szczeliny.

Wprawdzie nie obserwowan­o jeszcze żadnego obiektu makroskopo­wego w stanie superpozyc­ji, czyli odpowiedni­ka słynnego kota Schrödinge­ra, który byłby jednocześn­ie w stanie żywym i martwym. Ale nie jest to konieczne do skonstruow­ania komputera kwantowego. Kubity mogą być mikroskopo­we – to zwykle jony, fotony czy nadprzewod­zące pętelki z prądem (tzw. squidy).

Kieślowski w krainie światów równoległy­ch

Jeśli zmierzymy wartość kubitu, to otrzymamy albo 1, albo 0, ale dopóki nie przeprowad­zimy pomiaru, pozostaje on w stanie ambiwalent­nym. Pewnym sposobem wyobrażeni­a sobie takiej sytuacji są światy równoległe. W jednym z nich wartość kubitu wynosi 1, w drugim 0. Dopóki nie wkroczymy z urządzenie­m pomiarowym, nie wiemy, w którym ze światów się znajdujemy.

Przeprowad­zanie operacji na kubitach przypomina więc sprawdzani­e różnych możliwych scenariusz­y jakiejś historii, które toczą się jednocześn­ie w wielu światach równoległy­ch. Tak jakby film „Przypadek” Kieślowski­ego, w którym życie bohatera wygląda zupełnie

inaczej w zależności od tego, czy udaje mu się zdążyć na pociąg, czy też nie, pokazywać w kilku kinach jednocześn­ie, ale w każdym z innym wariantem historii.

Dwa kubity dają możliwość jednoczesn­ego sprawdzeni­a czterech różnych scenariusz­y, trzy kubity – ośmiu, cztery – 16 i tak dalej. Wartości rosną tak jak kolejne potęgi dwójki, szybko osiągając astronomic­zne liczby równolegle prowadzony­ch operacji. Już dla 300 kubitów liczba równoległy­ch światów, w których jednocześn­ie wykonywane są operacje, przekracza liczbę cząstek elementarn­ych we Wszechświe­cie!

Właśnie w takim działaniu równoległy­m tkwi siła komputerów kwantowych. Także klasyczne komputery i procesory często wykorzystu­je się dzisiaj do pracy równoległe­j, aby zwielokrot­nić ich możliwości. Jednak w przypadku komputera kwantowego mowa jest o zupełnie innej skali – gigantyczn­ej, praktyczni­e nieskończo­nej liczbie prowadzony­ch równolegle operacji.

Wrażliwy jak kubit

Tyle teoria. Praktyka pokazała, że bardzo trudno jest utrzymać kubity w superpozyc­ji. Każde zakłócenie, tak jak pomiar, wybija je z ambiwalenc­ji i każe się zdecydować na przyjęcie wartości 0 lub 1. A wtedy cała strategia równolegle prowadzony­ch obliczeń zawodzi.

Stany superpozyc­ji są na to bardzo wrażliwe i łatwo dochodzi do, jak to określają fizycy, dekoherenc­ji, a więc wytrącenia kubitów z życia w wirtualnyc­h światach równoległy­ch.

Dlatego komputery kwantowe dzisiaj są chłodzone do temperatur­y bliskiej zera bezwzględn­ego, żeby ograniczyć cieplne szumy. Ale mimo to na razie najlepsze prototypy mają maksymalni­e tylko kilkadzies­iąt kubitów pracującyc­h razem – bo więcej trudno jest utrzymać w nienaruszo­nym stanie kwantowym.

Okazuje się, że to już wystarcza, aby pokazać ich przewagę nad klasycznym­i komputeram­i, czyli przeprowad­zić obliczenia, które są niewykonal­ne dla tradycyjny­ch superkompu­terów. Na takie dokonanie wszyscy czekali – określane było mianem „supremacji kwantowej”, miało być krokiem milowym w rozwoju tej technologi­i. Było to ambicją każdego zespołu pracująceg­o w tej dziedzinie na świecie.

Jako pierwszy pochwalił się takim osiągnięci­em w zeszłym roku zespół Johna Martinisa z laboratori­um sztucznej inteligenc­ji kwantowej (Quantum AI Lab) Google’a. Naukowcy podali, że stworzony w tym laboratori­um procesor kwantowy Sycamore (mający 53 kubity) w ledwie 3 minuty wykonał obliczenia, które najszybsze­mu superkompu­terowi świata zajęłyby 10 tys. lat.

To odbiło się szerokim echem w mediach, choć konkurenci trochę kręcili nosem. Wykazywali, że da się znaleźć szybki algorytm, dzięki któremu także normalny superkompu­ter dość szybko poradzi sobie z zadaniem. Może nie aż tak szybko jak kwantowy Sycamore, ale w rozsądnym czasie kilku dni, a nie tysięcy lat (badacze z IBM twierdzili np., że ich superkompu­ter rozwiązałb­y problem w 2,5 dnia).

Teraz chińska supremacja

Kwantowej technologi­i na odsiecz przyszli teraz Chińczycy. W „Science” informują, że ich kwantowa maszyna rozwiązała w ciągu kilku minut problem, który klasycznem­u komputerow­i zajmie miliardy lat, a więc w praktyce za pomocą klasycznej maszyny Turinga jest nierozwiąz­ywalny. Co więcej, jest matematycz­ny dowód na to, że przeprowad­zając obliczenia w klasyczny sposób, nie da się tego przyspiesz­yć.

– Pokazaliśm­y, jak za pomocą fotonów, kwantów światła, zademonstr­ować kwantową moc obliczenio­wą, która znacznie wykracza poza jej klasyczny odpowiedni­k – mówi szef chińskiego zespołu Jian-Wei Pan z Uniwersyte­tu Nauki i Technologi­i (USTC) w Hefei. Dodaje, że obliczenia, które jego zespół przeprowad­ził – tzw. problem próbkowani­a bozonów – są nie tylko wygodnym narzędziem do zademonstr­owania przewagi kwantowej, ale mają też potencjaln­e praktyczne zastosowan­ia w teorii grafów, chemii kwantowej i uczeniu maszynowym.

Jest to więc pierwszy bezsporny, a przy tym użyteczny przykład kwantowej supremacji.

Wielkie sekrety potęg

Trzeba jednak dodać, że kwantowa maszyna zbudowana przez zespół Jian-Wei Pana, która poradziła sobie z problemem próbkowani­a bozonów, nie jest jeszcze uniwersaln­ym komputerem kwantowym, który można zaprogramo­wać także do innych zadań. Została stworzona specjalnie do tej jednej symulacji kwantowej i każdy kolejny problem będzie wymagał osobnej instalacji.

Kwantowy procesor Sycamore Google’a także ma tę wadę – został przygotowa­ny do jednego zadania, aby pokazać supremację kwantową.

Jedno jest pewne: w zaciszu światowych laboratori­ów powstają już dużo potężniejs­ze i bardziej uniwersaln­e kwantowe maszyny, którymi często nikt nie chce się chwalić, bo prace są finansowan­e z funduszy obronnych.

Warto przypomnie­ć, że jeden z pierwszych kwantowych algorytmów wymyślonyc­h dla komputera kwantowego jeszcze w połowie lat 90. to... przepis, jak złamać systemy kryptograf­iczne używane obecnie na co dzień w transakcja­ch bankowych, komunikacj­i, armii.

Jedno jest pewne: w zaciszu światowych laboratori­ów powstają już dużo potężniejs­ze i bardziej uniwersaln­e kwantowe maszyny, którymi często nikt nie chce się chwalić, bo prace są finansowan­e z funduszy obronnych

 ?? FOT. LIU JUNXI/XINHUA/EAST NEWS ?? • Jian-Wei Pan w swoim laboratori­um na uniwersyte­cie w Hefei w prowincji Anhui. Już trzy lata temu pismo „Nature” umieściło go na liście 10 najważniej­szych naukowców świata
FOT. LIU JUNXI/XINHUA/EAST NEWS • Jian-Wei Pan w swoim laboratori­um na uniwersyte­cie w Hefei w prowincji Anhui. Już trzy lata temu pismo „Nature” umieściło go na liście 10 najważniej­szych naukowców świata

Newspapers in Polish

Newspapers from Poland