Οι κβαντικοί υπολογιστές θεωρούνται ικανοί για δυνατότητες πολύ πέρα από τους συμβατικούς, όμως η επιβεβαίωση αυτής της υπεροχής είναι δύσκολη. Ο λόγος είναι ότι ο έλεγχος των αποτελεσμάτων τους μπορεί να απαιτεί υπολογισμούς που γίνονται απαγορευτικά δύσκολοι για τα κλασικά μηχανήματα.
Αυτό είναι το πρόβλημα της κβαντικής επαλήθευσης. Και ένα νέο πείραμα βρήκε μια ευρηματική λύση: ένα παιχνίδι που δοκιμάζει κάθε τύπο συστήματος.
Η παγίδα είναι ότι υπάρχει ένα μαθηματικά αποδεδειγμένο όριο στο πόσο καλά μπορεί να αποδώσει οποιοσδήποτε κλασικός υπολογιστής.
Όταν, λοιπόν, ομάδα με επικεφαλής τους επιστήμονες υπολογιστών Marcello Benedetti και Harry Buhrman της Quantinuum στο Ηνωμένο Βασίλειο το εφάρμοσε σε κβαντικό σύστημα trapped-ion, το σύστημα ξεπέρασε εύκολα το όριο.
Και όσο το τεστ γινόταν δυσκολότερο, τόσο μεγάλωνε η απόσταση ανάμεσα στην επίδοση του κβαντικού συστήματος και στη μέγιστη δυνατή κλασική επίδοση, σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications.
Οι κβαντικοί υπολογιστές αντλούν τις ασυνήθιστες δυνατότητές τους από τη φυσική που διέπει τα σωματίδια στις μικρότερες κλίμακες.
Ενώ τα bits σε έναν κλασικό υπολογιστή αναπαριστούν την πληροφορία ως μία από δύο καταστάσεις, το 1 ή το 0, τα κβαντικά bits ή qubits μπορούν να βρίσκονται σε υπέρθεση και των δύο μέχρι να μετρηθούν. Η μέτρηση καταρρέει αυτή την υπέρθεση και δίνει ένα μόνο, συγκεκριμένο αποτέλεσμα.
Η μαθηματική φύση αυτής της υπέρθεσης μπορεί να είναι εξαιρετικά ισχυρή υπολογιστικά, επιτρέποντας σε έναν κβαντικό υπολογιστή να λύνει με ευκολία ορισμένα προβλήματα που είναι εξαιρετικά δύσκολα για έναν συμβατικό υπολογιστή.
Αυτή ακριβώς τη δύναμη της υπέρθεσης θέλησαν να ελέγξουν οι ερευνητές.
Έτσι, σχεδίασαν ένα παιχνίδι βασισμένο σε μια υπολογιστική διαδικασία που ονομάζεται complement sampling.
Η ιδέα είναι η εξής: φανταστείτε ότι όλες οι πιθανές απαντήσεις σε ένα πρόβλημα χωρίζονται μυστικά σε δύο ίσες ομάδες, Α και Β. Σας δίνεται μία τυχαία απάντηση από την ομάδα Α και καλείστε να επιστρέψετε μια απάντηση από την ομάδα Β.
Για έναν κλασικό υπολογιστή, αυτό από μόνο του δεν αρκεί. Ξέρει ότι η απάντηση που έλαβε ανήκει στην Α, άρα γνωρίζει ότι δεν πρέπει να τη δώσει πίσω. Όμως δεν ξέρει ποιες από όλες τις άλλες πιθανές απαντήσεις ανήκουν στην Α και ποιες στη Β.
Όσο περισσότερες πιθανές απαντήσεις υπάρχουν, τόσο λιγότερο χρήσιμη γίνεται αυτή η μία και μοναδική πληροφορία. Οι ερευνητές μπόρεσαν μάλιστα να αποδείξουν μαθηματικά πόσο καλά μπορεί να τα πάει η καλύτερη δυνατή κλασική στρατηγική.
Ένας κβαντικός υπολογιστής, όμως, παίζει με πολύ διαφορετικούς κανόνες.
Επειδή ένα qubit σε υπέρθεση μπορεί να βρίσκεται και στις δύο καταστάσεις του ταυτόχρονα μέχρι να μετρηθεί, ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να δεχτεί μια κατάσταση που περιέχει ολόκληρο το σύνολο Α σε υπέρθεση, αντί να περιορίζεται σε ένα μεμονωμένο δείγμα.
Και το σημαντικότερο, μπορεί να χειριστεί αυτή την υπέρθεση πριν από τη μέτρηση. Με τη χρήση ενός κυκλώματος που οι ερευνητές αποκαλούν «swapper», ο κβαντικός υπολογιστής μετατρέπει την κατάσταση που αντιστοιχεί στο σύνολο Α σε μια κατάσταση που αντιστοιχεί στο συμπλήρωμά του, δηλαδή στο σύνολο Β.
Μόνο τότε κάνει τη μέτρηση και παράγει μια απάντηση από το σύνολο Β. Σε ένα ιδανικό, χωρίς σφάλματα, κβαντικό σύστημα, αυτή η στρατηγική κερδίζει κάθε φορά.
Για έναν κλασικό υπολογιστή, το έργο είναι εκθετικά δυσκολότερο. Πρέπει να μετρήσει την εισερχόμενη κατάσταση ώστε να πάρει μία τυχαία απάντηση από την ομάδα Α και στη συνέχεια να προσπαθήσει να επιστρέψει μια απάντηση από την ομάδα Β.
Έτσι δημιουργείται ένα τεράστιο χάσμα ανάμεσα σε όσα μπορούν να κάνουν τα δύο είδη συστημάτων.
Ενώ ένα ιδανικό κβαντικό σύστημα κερδίζει σε κάθε γύρο, το πλεονέκτημα που έχει ακόμη και η καλύτερη δυνατή κλασική στρατηγική μειώνεται εκθετικά όσο αυξάνεται ο αριθμός των bits και, άρα, ο αριθμός των πιθανών απαντήσεων.
Και αυτό δεν συμβαίνει απλώς επειδή οι ερευνητές δεν έχουν βρει αρκετά έξυπνο κλασικό αλγόριθμο. Το όριο είναι μαθηματικά αποδεδειγμένο, χωρίς να βασίζεται σε υποθέσεις για το πόσο δύσκολος μπορεί να είναι ο υπολογισμός.
Αυτό έδωσε στην ομάδα κάτι ιδιαίτερα πολύτιμο: ένα τεστ του οποίου τα αποτελέσματα είναι εύκολο να επαληθευτούν, αλλά η κλασική επίδοση έχει σαφές ανώτατο όριο. Έτσι, το δοκίμασαν σε πραγματικό κβαντικό υπολογιστή.
Οι ερευνητές έτρεξαν το παιχνίδι complement sampling στους κβαντικούς υπολογιστές H2 trapped-ion της Quantinuum, χρησιμοποιώντας χιλιάδες διαφορετικά κυκλώματα και φτάνοντας τα πειράματά τους έως τα 55 qubits.
Τα πραγματικά μηχανήματα, φυσικά, δεν ήταν τόσο τέλεια όσο η θεωρία. Καθώς τα πειράματα μεγάλωναν και απαιτούσαν περισσότερες κβαντικές πράξεις, ο θόρυβος του υλικού υποβάθμιζε ολοένα και περισσότερο την απόδοσή τους.
Ωστόσο, το κβαντικό σύστημα συνέχιζε να ξεπερνά σταθερά το κλασικό όριο.
Σε κάθε πείραμα, ο κβαντικός υπολογιστής σημείωσε τόσο καλές επιδόσεις, ώστε τα αποτελέσματά του ήταν στατιστικά ασύμβατα με ό,τι θα μπορούσε να πετύχει οποιαδήποτε κλασική στρατηγική.
Ακόμη καλύτερα, όσο το πρόβλημα γινόταν δυσκολότερο, τόσο μεγάλωνε και η διαφορά. Το πλεονέκτημα που παρατηρήθηκε πειραματικά αυξανόταν εκθετικά με το μήκος του bit-string, ακολουθώντας στενά, αν και όχι ακριβώς, τη συμπεριφορά που αναμένεται από τη βέλτιστη κβαντική στρατηγική.
Στη μεγαλύτερη κλίμακα που δοκιμάστηκε, με bit-strings 37 bits, το σύστημα δεν έφτασε ακριβώς τη θεωρητική ιδανική απόδοση, όμως τα αποτελέσματα εξακολουθούσαν να δείχνουν μια «εκθετικά μεγάλη παραβίαση της κλασικότητας», όπως σημειώνουν οι ερευνητές.
Το πείραμα έχει και ορισμένους περιορισμούς.
Ο «διαιτητής» που επιλέγει την αρχική απάντηση και ο «παίκτης» που την αναλύει και δίνει το συμπλήρωμα υλοποιήθηκαν στον ίδιο κβαντικό υπολογιστή, με κβαντική τηλεμεταφορά να χρησιμοποιείται για να προσομοιωθεί το κανάλι επικοινωνίας ανάμεσά τους.
Σχετικό άρθρο: Η κβαντική τηλεμεταφορά επιτεύχθηκε για πρώτη φορά μέσω του διαδικτύου
Ένα πιο αυστηρό μελλοντικό τεστ θα τοποθετούσε τα δύο μέρη σε ξεχωριστούς κβαντικούς υπολογιστές, συνδεδεμένους με ένα πραγματικό κβαντικό κανάλι επικοινωνίας.
Όμως αυτό είναι ένα εμπόδιο που μπορεί να ξεπεραστεί στον επόμενο γύρο πειραμάτων.
Προς το παρόν, το αποτέλεσμα αποτελεί μια απόδειξη της ιδέας: έναν νέο τρόπο δοκιμής κβαντικού υλικού που είναι εύκολος στην επαλήθευση, επεκτάσιμος και, το σημαντικότερο, δεν στηρίζεται σε μη αποδεδειγμένες υποθέσεις για το τι μπορούν και τι δεν μπορούν να κάνουν οι κλασικοί υπολογιστές.
«Το τεστ μας», γράφουν οι ερευνητές, «καταδεικνύει τη δύναμη της κβαντικής υπέρθεσης με τρόπο που είναι αδιάφορος προς την εμπλοκή και τη μη τοπικότητα».
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο Nature Communications.
Το άρθρο ελέγχθηκε ως προς τα γεγονότα από τη Fiona MacDonald και επιμελήθηκε από τη Fiona MacDonald. Παρότι δίνουμε μεγάλη σημασία στη διαδικασία μας, είμαστε μόνο άνθρωποι. Αν εντοπίσετε κάποιο λάθος, ενημερώστε μας.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
