Kalbant apie kvantinius kompiuterius, viena problema kartojasi beveik nuo pirmųjų garsesnių „kvantinio pranašumo“ demonstracijų: jeigu užduotis klasikinėms mašinoms iš tiesų tampa neįveikiama, kaip patikrinti, ar kvantinis kompiuteris pateikė teisingą rezultatą?
Marcello Benedetti, Gabriel Marin-Sanchez, Jordi Weggemans, Matthias Rosenkranz ir Harry Buhrman pasiūlė kitokią išeitį. Rugsėjo 5 d. žurnale „Nature Communications“ paskelbtame tyrime jie pademonstravo žaidimą, kurio kvantinį rezultatą galima efektyviai tikrinti, o klasikinių strategijų galimybes – matematiškai apriboti.
Esmė
Esmė
Quantinuum eksperimentas parodė įrodomą kvantinį pranašumą, tačiau tai dar nereiškia, kad kvantiniai kompiuteriai tapo praktiškai naudingesni.
- Pranašumas yra įrodomas Eksperimentas sukurtas taip, kad klasikinių strategijų galimybių riba būtų matematiškai pagrįsta, o ne paremta vien prielaida, jog šiuo metu nežinome geresnio klasikinio algoritmo.
- Rezultatas gautas realiame kvantiniame kompiuteryje Quantinuum H2 jonų gaudyklės sistemose tyrėjai paleido tūkstančius skirtingų grandinių, siekusių iki 55 kubitų, ir stebėjo klasikinę ribą viršijančius rezultatus.
- Tai dar ne praktinis proveržis Kompiuteris sprendė specialiai kvantinėms ir klasikinėms sistemoms atskirti sukurtą uždavinį. Eksperimentas nerodo, kad kvantinis kompiuteris jau greičiau projektuoja vaistus, optimizuoja logistiką ar pakeičia įprastą kompiuterį.
Žaidimo esmė: rask tai, ko tau neparodė
Uždavinys vadinamas „complement sampling“, arba komplemento atranka. Supaprastintai įsivaizduokime didelę galimų atsakymų aibę, padalytą į dvi lygias dalis. Sistema gauna informaciją iš vienos dalies ir turi pateikti elementą iš kitos – jos komplemento.
Klasikinei sistemai tai nepatogi užduotis. Gavusi pavienius pavyzdžius ji sužino, kurie elementai priklauso pirmajai grupei, tačiau iš to automatiškai nesužino visos likusios grupės. Didėjant galimų elementų skaičiui, reikalingų klasikinių pavyzdžių skaičius auga labai sparčiai.
Kvantinėje versijoje informacija pateikiama kaip kvantinė superpozicija. Speciali kvantinė transformacija gali šią būseną pakeisti taip, kad matavimas grąžintų elementą iš priešingos aibės. Ankstesniame teoriniame darbe, paskelbtame „Physical Review Letters“, Benedetti ir kolegos parodė, kad tam tikru atveju kvantiniam algoritmui pakanka vieno kvantinio pavyzdžio, kai klasikiniam algoritmui reikia pavyzdžių skaičiaus, proporcingo visos aibės dydžiui.
Svarbiausia ne tai, kad kvantinis kompiuteris buvo greitesnis
Garsiausios ankstesnės kvantinio pranašumo demonstracijos dažnai remdavosi uždaviniais, kuriuos kvantinis procesorius atlikdavo praktiškai greičiau už tuo metu žinomus klasikinius metodus. Problema ta, kad vėliau gali atsirasti geresnis klasikinis algoritmas ir skirtumas gerokai sumažėti.
Šiame eksperimente autoriai siekė stipresnio teiginio. Pasirinkę specialiai sukonstruotus įvesties atvejus, įkvėptus Bernstein–Vazirani uždavinio, jie gavo eksponentiškai didėjantį kvantinių ir klasikinių strategijų skirtumą, kuriam nereikia remtis neįrodytomis skaičiavimo sudėtingumo prielaidomis.
Tyrėjai žaidimą vykdė Quantinuum H2 jonų gaudyklės kvantiniuose kompiuteriuose. Eksperimentai apėmė tūkstančius skirtingų kvantinių grandinių ir buvo plečiami iki 55 kubitų. Nors didesnės grandinės dėl aparatūros triukšmo veikė ne idealiai, stebėti rezultatai išliko nesuderinami su geriausia leidžiama klasikine strategija.
Tai ir yra svarbiausias darbo „parašas“: ne vien faktas, kad konkrečiame teste kvantinė sistema surinko daugiau taškų, o tai, kad klasikinių strategijų lubos yra nustatytos matematiškai ir rezultatą galima patikrinti efektyviai.
Ar klasikinis kompiuteris tikrai „negali“ laimėti?
Čia verta pristabdyti sensacingiausią interpretaciją. Teiginys, kad klasikinis kompiuteris „iš principo negali“ išspręsti uždavinio, be papildomo paaiškinimo būtų per stiprus.
Klasikinė sistema gali spręsti komplemento atrankos problemą, jei jai leidžiama gauti pakankamai daug informacijos ir sunaudoti daugiau išteklių. Kvantinis pranašumas atsiranda lyginant sistemas pagal konkrečias žaidimo taisykles ir turimų pavyzdžių kiekį. Būtent tada kvantinei strategijai reikalingi ištekliai ir geriausių klasikinių strategijų galimybės išsiskiria eksponentiškai.
Todėl tiksliausia sakyti ne „klasikinis kompiuteris apskritai negali to padaryti“, o „klasikinis kompiuteris negali pasiekti tokio pat rezultato su palyginamais šiame teste leidžiamais ištekliais“.
Taigi ar tai pagaliau tikras kvantinis pranašumas?
Griežta eksperimentine prasme – taip, ir gana stiprus. Darbas demonstruoja realiame kvantiniame įrenginyje pranašumą prieš matematiškai apribotą klasikinę strategiją, o skirtumas didėja plečiant uždavinį. Be to, patikrinimui nereikia klasikiniame kompiuteryje pakartoti viso kvantinio skaičiavimo.
Tačiau kasdiene žodžio „pranašumas“ prasme atsakymas tebėra ne. Complement sampling žaidimas buvo sukurtas pirmiausia tam, kad atskleistų skirtumą tarp kvantinio ir klasikinio informacijos apdorojimo. Jis nėra užduotis, už kurios greitesnį sprendimą šiandien mokėtų farmacijos bendrovė, bankas ar logistikos įmonė.
Tai panašu į lenktyninį automobilį, kuris laboratorijos trasoje įrodo naujos technologijos pranašumą, bet dar nėra tinkamas kasdieniam eismui. Eksperimentas svarbus todėl, kad vis sunkiau ginčyti patį kvantinės sistemos pranašumo faktą šiame konkrečiame skaičiavimo modelyje. Kitas, gerokai sunkesnis žingsnis – parodyti tokį pat įtikinamą skirtumą užduotyje, kurią žmonėms iš tikrųjų reikia spręsti.
Komentarai