Kvantiniai kompiuteriai pagaliau pasiekė besąlygišką pranašumą

Ką kvantiniai kompiuteriai gali padaryti, ko visiškai negali tradiciniai jų kolegos? Tai vienas iš didžiausių klausimų, su kuriuo susiduria sparčiai auganti pramonė, ir dabar mes pagaliau turime neabejotiną atsakymą.

Kvantiniai kompiuteriai vietoje klasikinių bitų naudoja kubitus, kurie gali egzistuoti daugiau būsenų nei „0“ ar „1“, kas teoriškai suteikia jiems skaičiavimo pranašumą. Tačiau klausimas ar kvantinis kompiuteris gali atlikti kažką neįmanomo ar nepraktiško net geriausiems tradiciniams kompiuteriams – kas liudytų kvantinės viršenybės pasiekimą – pasirodė esąs sudėtingas ir ginčytinas. Taip yra todėl, kad tikrasis kvantinės viršenybės pavyzdys turi būti praktinė skaičiavimo užduotis, kad ją būtų galima išbandyti realia kvantine aparatūra, ir įrodomas, kad būtų galima griežtai atmesti visus matematinius ir algoritminius triukus, kurie galėtų padėti klasikiniam kompiuteriui galiausiai pasivyti kvantinį.

William Kretschmer iš Teksaso universiteto Ostine ir jo kolegos dabar baigė eksperimentą, kuris atitinka abu kriterijus. Skirtingai nuo keleto ankstesnių teiginių apie kvantinę viršenybę, kai klasikiniai kompiuteriai galiausiai panaikino našumo skirtumą tarp jų ir jų kvantinių konkurentų, dabar mokslininkai teigia, kad „mūsų rezultatas yra įrodytas ir negrįžtamas: jokie ateities klasikiniai algoritmų pokyčiai negali panaikinti šio skirtumo“.

Komanda naudojo 12 kubitų, pagamintų iš lazeriais valdomų jonų, kuriuos sukūrė kvantinių kompiuterių kompanija „Quantinuum“, kad atliktų eksperimentą, pagrįstą komunikacijos sudėtingumo matematika. Tikslas – rasti efektyviausius būdus, kaip du hipotetiniai eksperimentuotojai, Alisa ir Bobas, galėtų atlikti skaičiavimus, siųsdami vienas kitam žinutes.

Viena kvantinio kompiuterio dalis, veikianti kaip Alisa, parengia tam tikrą kvantinę būseną ir nusiunčia ją kitai kompiuterio daliai, Bobui, kuri tada turi nuspręsti, kaip išmatuoti Alisos būseną, kad sužinotų jos savybes ir gautų rezultatą. Kartodama šį procesą, pora gali sukurti būdą, kaip numatyti, koks bus Bobo rezultatas, prieš Alisai atskleidžiant savo būseną.

Tyrėjai pakartojo procedūrą 10 000 kartų ir optimizavo Alisos ir Bobo atliekamas proceso dalis. Jų visų šių bandymų analizė, kartu su griežtu matematinio protokolo tyrimu, parodė, kad joks klasikinis algoritmas, turintis mažiau nei 62 bitus, negalėjo prilygti 12 kubitų kvantinio kompiuterio našumui atliekant šią užduotį. Mažiausias atvejis, kai jie galėjo įrodyti, kad klasikinis algoritmas gali pasiekti tokį patį našumą, reikalavo 330 bitų – beveik 30 kartų didesnės skaičiavimo galios.

„Tai yra puikus mokslinis rezultatas, kuris rodo, kad „kvantinių pranašumų“ spektras yra platesnis, nei kai kas galvoja“, – sako Ashley Montanaro iš Bristolio universiteto Jungtinėje Karalystėje. „Skirtingai nuo daugumos kvantinių pranašumų ar kvantinės viršenybės demonstravimų, nėra vilties, kad bus rastas geresnis klasikinis algoritmas – tai neįmanoma.“

Ronald de Wolf iš Matematikos ir kompiuterių mokslų tyrimų instituto Nyderlanduose sako, kad eksperimentas veiksmingai pasinaudoja naujausiais sparčiai vykstančiais kvantinių kompiuterių patobulinimais ir remiasi komunikacijos sudėtingumo teorijos idėjomis, kurios buvo tiriamos kelis dešimtmečius.

„Buvo žinoma, kad komunikacijos sudėtingumas yra įrodytas ir realus kvantinių ir klasikinių kompiuterių skirtumas. Skirtumas tas, kad dabar jie pirmą kartą galėjo įgyvendinti modelį, nes buvo padaryta pažanga aparatinės įrangos srityje“, – sako jis. „Jie sugalvojo naują komunikacijos sudėtingumo problemą, kurioje klasikiniai ir kvantiniai kompiuteriai skiriasi dar labiau, todėl skirtumas matomas net ir naudojant vos 12 kubitų.“

Nors naujasis rezultatas išsiskiria iš daugelio ankstesnių kvantinės viršenybės demonstravimų, jis turi vieną svarbią bendrą savybę: nėra aišku, ar jis gali būti iš karto naudingas. Kvantinio pranašumo pavyzdžiai, kurie galėtų smarkiai paveikti realų pasaulį, pavyzdžiui, Shoro algoritmas, kuris galėtų radikaliai pakeisti kriptografiją, vis dar nėra patvirtinti įrodymų požiūriu.

Ateityje komanda galėtų sustiprinti savo rezultatus, pavyzdžiui, sukuriant Alisai ir Bobui du atskirus kompiuterius, kurie užkirstų kelią galimam nepaaiškinamam abiejų kompiuterių sąveikavimui, galinčiam paveikti kvantinio kompiuterio rezultatus, tačiau, pasak de Wolf, svarbesnis klausimas yra kvantinės viršenybės naudingumas.

„Už [kvantinės] viršenybės ribų turėtų būti žingsnis link naudingos [kvantinės] viršenybės ir kvantinio kompiuterio, kuris atliktų kažką daug geriau nei klasikinis kompiuteris sprendžiant iš tikrųjų įdomią problemą, pavyzdžiui, chemijos skaičiavimus ar logistikos optimizavimą“, – sako jis.

Karmela Padavic-Callaghan
newscientist.com

arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.07255