Prvi put je dokazano da kvantni računari bezuslovno nadmašuju klasične u rešavanju kompleksnih problema

U istorijskom proboju na polju kvantnog računarstva tim naučnika sa Univerziteta Južne Kalifornije (USC) i Univerziteta Džon Hopkins uspeo je da demonstrira prvo bezuslovno eksponencijalno ubrzanje kvantnog računara u odnosu na klasične mašine. Rezultat je postignut korišćenjem dva IBM-ova kvantna procesora Eagle sa po 127 kubita, a eksperiment je sproveden daljinski preko klauda, uz maksimalno iskorišćenje postojećeg hardverskog potencijala, piše SciTech Daily.

Ovaj rezultat, objavljen u prestižnom naučnom časopisu Physical Review X, dokazuje da kvantni računari sada mogu da nadmaše klasične u zadacima za koje postoji matematički dokaz da im klasični računari ne mogu parirati, i to bez oslanjanja na neproverene teorijske pretpostavke.

Preporučujemo

Kvantni računari godinama su bili predmet naučnih i tehnoloških očekivanja jer obećavaju revoluciju u računarstvu: od ubrzavanja hemijskih simulacija i pronalaženja novih lekova, do rešavanja matematičkih problema koji su trenutno izvan domašaja najbržih klasičnih superračunara.

Međutim, u praksi je jedan problem sve vreme stajao na putu – buka. Kvantni sistemi su izuzetno osetljivi i podložni greškama koje se akumuliraju u toku izvođenja operacija, što je često činilo ove mašine manje efikasnim nego što bi teorija sugerisala.

Upravo je prevazilaženje ovog problema ono što čini novi eksperiment revolucionarnim. Tim profesora Danijela Lidara sa USC-a, stručnjaka za kvantnu korekciju grešaka, pokazao je da se kvantna prednost može realizovati uprkos šumu i greškama, i to na zadatku za koji je matematički dokazano da klasični računari ne mogu da ga reše istom brzinom.

- Eksponencijalno ubrzanje znači da se vreme rešavanja problema skraćuje tako da se razlika u performansama između kvantnih i klasičnih računara udvostručuje sa svakom dodatom promenljivom. A bezuslovno znači da nismo morali da pretpostavimo da klasični računari nemaju bolji algoritam – već znamo da ne postoji - objašnjava Lidar.

Tim je za eksperiment odabrao Simonov problem, matematičku zagonetku iz teorije kvantnih algoritama koja je prethodila Šorovom algoritmu (poznatom po sposobnosti da razbije moderne enkripcione metode). Reč je o zadatku koji uključuje otkrivanje skrivenog obrasca u funkciji, što klasični računari rešavaju sporo, dok kvantni mogu da pronađu rešenje eksponencijalno brže.

Simonov problem funkcioniše kao igra pogađanja: igrač pokušava da otkrije „tajni broj“ tako što ispituje funkciju i poredi rezultate. Kada pronađe dva različita ulaza koji daju isti rezultat, tajni obrazac može da se otkrije. Kvantni algoritmi mogu da izvuku ovu informaciju mnogo brže jer istovremeno ispituju sve moguće ulaze – kvantni paralelizam u punom sjaju.

Upravo u rešavanju ove igre, Lidarov tim je uspeo da demonstrira jasno mereno, bezuslovno eksponencijalno ubrzanje kvantnog računara.

Da bi ovakav eksperiment uspeo na današnjem, još uvek ograničenom kvantnom hardveru, bilo je neophodno primeniti četiri tehnike za kontrolu kvantne buke i poboljšanje performansi:

Ograničavanje kompleksnosti ulaznih podataka – tako što su smanjili broj mogućih tajnih brojeva (ograničen broj jedinica u binarnoj reprezentaciji), istraživači su smanjili broj kvantnih operacija, čime je smanjena šansa za akumulaciju grešaka. Transpilacija – automatska optimizacija kvantnog koda u kraće, efikasnije sekvence operacija koje hardver može da izvrši sa manje šuma. Transpilacija je omogućila smanjenje dužine kvantnih kola, što je direktno uticalo na uspešnost algoritma.Dinamičko razdvajanje (dynamical decoupling) – tehnika koja koristi pažljivo osmišljene pulseve kako bi izolovala kvantne bitove (kubite) od šumova iz spoljne sredine. Ova metoda imala je najveći efekat na smanjenje grešaka i ključna je za stabilnost kvantne operacije.Ublažavanje grešaka pri merenju – iako su prethodne metode smanjile greške tokom izvođenja, merenje stanja kjubita na kraju procesa takođe unosi netačnosti. Primenom statističkih metoda korekcije, istraživači su poboljšali tačnost rezultata bez potrebe za dodatnim kvantnim resursima.

Ono što je posebno značajno jeste da ovaj eksperiment ne može biti opovrgnut dodatnim otkrićem boljeg klasičnog algoritma jer se radi o zadatku za koji je dokazano da nijedna klasična metoda ne može dostići kvantni učinak. To čini ovaj rezultat prvim pravim dokazom „kvantne supremacije“.

Uprkos značaju, Lidar ističe da ova demonstracija još uvek nema praktičnu primenu.

- Reč je o zadatku koji je više poput igre pogađanja nego o stvarnom problemu iz medicine ili finansija. Da bi kvantni računari postali korisni u svakodnevnim primenama, moraćemo da rešavamo probleme koji nemaju ugrađene ‘orakle’ koji znaju rešenje unapred – dodaje on.

To će zahtevati dodatne iskorake u hardveru, još bolju kontrolu kvantne buke, i algoritme koji se mogu upotrebljavati u složenim, stvarnim sistemima. Ipak, kvantna obećanja više nisu samo teorija – ona su sada dokazana u praksi.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)