„Google“ pristato kvantinės viršenybės planą

Didelis kvantinio skaičiavimo pažadas yra galimybė atlikti neįtikėtino sudėtingumo skaičiavimus, kurie gerokai pranoksta įprastų kompiuterių galimybes. Fizikai jau seniai žinojo, kad vos 50 kubitų kvantinis kompiuteris gali pranokti net galingiausius pasaulyje superkompiuterius.

Tačiau peržengti įprasto skaičiavimo ribas – pasiekti kvantinį pranašumą, kaip tai vadina fizikai – pasirodė sunkiau, nei visi tikėjosi. Kvantinės būsenos yra subtilūs objektai – čiaudėja ir jos išnyksta. Dėl šios priežasties fizikai įklimpo su praktiniu iššūkiu atskirti kvantinius kompiuterius ir jų kvantinio apdorojimo mašinas nuo išorinio pasaulio. Dėl to kvantinė viršenybė atrodo kaip niekada toli.

Tačiau gali būti ir kitas būdas parodyti kvantinį pranašumą, kuriam nereikia bendros paskirties kvantinio kompiuterio, galinčio paleisti įvairius kvantinius algoritmus. Vietoj to, fizikai pradėjo žaisti su kvantinėmis sistemomis, kurios gali padaryti tik vieną dalyką. Jei jie gali parodyti, kad šis dalykas yra didesnis nei bet kuris įprastas kompiuteris, tada jie pirmą kartą pademonstruos kvantinį pranašumą. Tačiau kaip tai galima padaryti, toli gražu nėra aišku.

Šiandien Charlesas Neillas iš Kalifornijos Santa Barbaros universiteto ir Pedramas Roushanas iš Google teigia žinantys, kaip galima pasiekti kvantinę viršenybę, ir pirmą kartą sėkmingai pademonstravo principo įrodymą. Darbas kelia perspektyvą, kad pirmasis kvantinės viršenybės demonstravimas gali užtrukti vos kelis mėnesius.

Pirmiausia šiek tiek fono. Didelis kubitų pranašumas prieš paprastus bitus yra tas, kad jie gali egzistuoti būsenų superpozicijoje. Taigi, nors įprastas bitas gali būti 1 arba 0, kubitas gali būti ir 1, ir 0 tuo pačiu metu.

Tai reiškia, kad du kubitai vienu metu gali reikšti keturis skaičius, trys kubitai – aštuonis skaičius, o devyni kubitai – 512 skaičių vienu metu. Kitaip tariant, jų pajėgumai didėja eksponentiškai.

Štai kodėl nereikia daug kubitų, kad jie būtų geresni už įprastus kompiuterius. Tik 50 kubitų gali reikšti 10 000 000 000 000 000 skaičių. Klasikiniam kompiuteriui tam skaičiui išsaugoti reikės petabaitų atminties.

Taigi vienas iš būdų pasiekti kvantinę viršenybę yra sukurti sistemą, kuri gali palaikyti 49 kubitus būsenų superpozicijoje. Šiai sistemai nereikia atlikti jokių sudėtingų skaičiavimų – ji tiesiog turi turėti galimybę patikimai ištirti visą 49 kubitų superpozicijos erdvę. Taigi Neill ir Roushan tikslas yra sukurti 49 kubitų superpoziciją.

Tai lengviau pasakyti nei padaryti. Tačiau šiandien paskelbtas darbas yra principo įrodymas.

Jų požiūris yra paprastas. Kubitai yra kvantiniai objektai, kurie vienu metu gali egzistuoti dviejose būsenose, ir yra daug būdų juos sukurti. Pavyzdžiui, fotonai gali būti poliarizuoti tiek vertikaliai, tiek horizontaliai vienu metu, atomo branduoliai gali suktis savo ašimi ir aukštyn, ir žemyn, elektronai vienu metu gali keliauti dviem keliais. Fizikai eksperimentuoja su visomis šiomis kvantinio skaičiavimo sistemomis.

Tačiau Neill ir Roushan pasirinko skirtingą kelią. Jų kvantinė sistema yra superlaidus kubitas. Iš esmės tai metalinė kilpa, atvėsinta iki žemos temperatūros. Nustatykite srovę, tekančią per šią kilpą, ir ji tekės amžinai – kvantinis reiškinys, žinomas kaip superlaidumas.

Tačiau ši kvantinė prigimtis veda į tvarkingą triuką: srovė gali tekėti viena kryptimi ir kita tuo pačiu metu. Ir tai leidžia jam veikti kaip kubitui, kuris vienu metu gali reikšti ir 0, ir 1.

Didelis superlaidžių kubitų pranašumas yra tai, kad juos gana lengva valdyti ir matuoti. Jie taip pat gali būti susieti vienas su kitu, kai kelios kilpos sėdi viena šalia kitos ant lusto. Šis kaimynų susiejimas yra sunkesnis ir reikalauja kito gudrybės.

Srovės srautas viena ar kita kryptimi yra tik mažos energijos konfigūracija. Įdėkite daugiau energijos ir galimos ir kitos būsenos. Būtent šios aukštesnės energijos būsenos gali sąveikauti viena su kita, sukurdamos didesnes superpozicijas. Tokiu būdu kaimyninės kilpos gali turėti tą pačią, daug sudėtingesnę būseną.

Principo įrodymas, kurį atliko Neill ir Roushan bei bendradarbiai, yra sukurti lustą su devyniomis gretimomis kilpomis ir parodyti, kad jų palaikomi superlaidūs kubitai vienu metu gali atstovauti 512 skaičių.

Tai nė iš tolo neprilygsta kubitų skaičiui, kurio reikia kvantinei viršenybei, tačiau eksperimentas suteikia vilčių teikiančių užuominų, kad tai bus įmanoma.

Didelė fizikų baimė yra ta, kad šiose kvantinėse sistemose eksponentiškai didėja ne tik skaičiai, bet ir paklaidos. Jei klaidų daugės per greitai, jos užgrius sistemą, todėl kvantinė viršenybė taps neįmanoma.

Pagrindinis šio eksperimento rezultatas yra parodyti, kad šiose superlaidžiose lustuose klaidos greitai nesikeičia. Vietoj to, komanda parodė, kad klaidos didėja lėtai taip, kad būtų galima prasmingai superpoziciją iki 60 kubitų. Šie rezultatai suteikia daug žadančių įrodymų, kad kvantinę viršenybę galima pasiekti naudojant esamas technologijas, teigia mokslininkai.

Tai įdomus darbas. Tai aiškiai rodo, kad kvantinė viršenybė turėtų būti įmanoma naudojant lustą, kuriame yra 50 superlaidžių kilpų, o ne tik devynios. Padaryti tokį lustą turėtų būti nesudėtinga – iš tiesų sunku įsivaizduoti, kad komanda šiuo metu jo nekuria.

Tačiau yra svarbus įspėjimas. 50 kubitų lustas bus įmanomas tik tuo atveju, jei klaidos ir toliau didės taip, kaip parodė komanda. Ir tai kelia svarbų klausimą. Komanda parodė, kaip paklaidos didėja, kai kubitų skaičius padidėja nuo penkių iki devynių. Bet ar paklaidos didės taip pat, kaip kubitai padidės nuo devynių iki 50?

Jei ne, iki kvantinės viršenybės dar toli. Bet jei jie tai padarys, ši komanda tikisi per ateinančius mėnesius pretenduoti į kvantinę viršenybę.

Tai yra klausimas, į kurį Neill, Roushan ir kiti dabar labai stengsis atsakyti. Nekantraujame pranešti apie jų rezultatus.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1709.06678 : Kvantinės viršenybės demonstravimo su superlaidžiais kubitais projektas

paslėpti