Chińczycy deklasują Google’a
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