Google ujawnia plan supremacji kwantowej

Wielką obietnicą obliczeń kwantowych jest możliwość wykonywania obliczeń o zadziwiającej złożoności, które znacznie przekraczają możliwości konwencjonalnych komputerów. Fizycy od dawna wiedzą, że komputer kwantowy z zaledwie 50 kubitami może przewyższyć nawet najpotężniejsze superkomputery na świecie.

Ale przekroczenie granic konwencjonalnego przetwarzania — osiągnięcie supremacji kwantowej, jak nazywają to fizycy — okazało się trudniejsze, niż wszyscy się spodziewali. Stany kwantowe to delikatne obiekty — kichnij i znikają. Z tego powodu fizycy ugrzęzli w praktycznym wyzwaniu, jakim jest odizolowanie komputerów kwantowych i ich maszynerii przetwarzania kwantowego od świata zewnętrznego. W rezultacie supremacja kwantowa wydaje się tak odległa, jak nigdy dotąd.

Ale może istnieć inny sposób wykazania supremacji kwantowej, który nie wymaga komputera kwantowego ogólnego przeznaczenia, który może obsługiwać różne algorytmy kwantowe. Zamiast tego fizycy zaczęli bawić się systemami kwantowymi, które mogą zrobić tylko jedną rzecz. Jeśli potrafią wykazać, że ta jedna rzecz przekracza możliwości jakiegokolwiek konwencjonalnego komputera, to po raz pierwszy zademonstrują supremację kwantową. Ale jak można to zrobić, nie jest jasne.

Dziś Charles Neill z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i Pedram Roushan z Google twierdzą, że wiedzą, jak można osiągnąć supremację kwantową, i po raz pierwszy z powodzeniem zademonstrowali wersję maszyny weryfikującą zasadę działania. Praca podnosi perspektywę, że pierwsza demonstracja supremacji kwantowej może potrwać zaledwie kilka miesięcy.

Najpierw trochę tła. Dużą zaletą kubitów nad zwykłymi bitami jest to, że mogą istnieć w superpozycji stanów. Tak więc, podczas gdy zwykły bit może być 1 lub 0, kubit może być jednocześnie 1 i 0.

Oznacza to, że dwa kubity mogą jednocześnie reprezentować cztery liczby, trzy kubity mogą reprezentować osiem liczb, a dziewięć kubitów, czyli 512 liczb jednocześnie. Innymi słowy, ich możliwości rosną wykładniczo.

Dlatego nie potrzeba wielu kubitów, aby przewyższyć konwencjonalne komputery. Tylko 50 kubitów może reprezentować 10 000 000 000 000 000 liczb. Klasyczny komputer wymagałby pamięci w skali petabajta do przechowywania tej liczby.

Tak więc jednym ze sposobów osiągnięcia supremacji kwantowej jest stworzenie systemu, który może obsługiwać 49 kubitów w superpozycji stanów. Ten system nie musi wykonywać żadnych skomplikowanych obliczeń — wystarczy, że jest w stanie niezawodnie zbadać całą przestrzeń 49-kubitowej superpozycji. Tak więc celem Neilla i Roushana jest stworzenie 49-kubitowej superpozycji.

Łatwiej powiedzieć niż zrobić. Ale praca, którą dziś ogłaszają, jest demonstracją słuszności zasad.

Ich podejście jest proste. Kubity to obiekty kwantowe, które mogą istnieć w dwóch stanach jednocześnie i istnieje wiele sposobów ich tworzenia. Na przykład fotony mogą być jednocześnie spolaryzowane zarówno w pionie, jak iw poziomie, jądra atomowe mogą obracać się swoją osią jednocześnie w górę i w dół, elektrony mogą poruszać się po dwóch ścieżkach jednocześnie. Fizycy eksperymentują ze wszystkimi tymi systemami w celu obliczeń kwantowych.

Neill i Roushan wybrali jednak inną drogę. Ich układ kwantowy to nadprzewodzący kubit. Jest to zasadniczo pętla metalu schłodzona do niskiej temperatury. Ustaw prąd przepływający przez tę pętlę, a będzie płynął w nieskończoność — zjawisko kwantowe znane jako nadprzewodnictwo.

Ale ta kwantowa natura prowadzi do zgrabnej sztuczki: prąd może płynąć w jednym kierunku i jednocześnie w drugim. A to pozwala mu działać jako kubit, który może jednocześnie reprezentować zarówno 0, jak i 1.

Dużą zaletą kubitów nadprzewodzących jest to, że można je stosunkowo łatwo kontrolować i mierzyć. Mogą być również połączone ze sobą, gdy kilka pętli znajduje się obok siebie na chipie. To łączenie sąsiadów jest trudniejsze i wymaga innej sztuczki.

Przepływ prądu w jednym lub drugim kierunku to po prostu konfiguracja niskoenergetyczna. Włóż więcej energii i inne stany też są możliwe. To właśnie te wyższe stany energetyczne mogą oddziaływać ze sobą, tworząc większe superpozycje. W ten sposób sąsiednie pętle mogą dzielić ten sam, znacznie bardziej złożony stan.

Eksperyment sprawdzający zasadę, który przeprowadzili Neill, Roushan i spółka, ma na celu stworzenie chipa z dziewięcioma sąsiednimi pętlami i pokazanie, że obsługiwane przez nie kubity nadprzewodzące mogą jednocześnie reprezentować 512 liczb.

Nie jest to nawet zbliżona liczba kubitów wymaganych do supremacji kwantowej, ale eksperyment daje zachęcające wskazówki, że będzie to możliwe.

Wielkim strachem wśród fizyków jest to, że nie tylko liczby, ale także błędy rosną wykładniczo w tych układach kwantowych. Jeśli błędy będą wzrastać zbyt szybko, zalają system, uniemożliwiając supremację kwantową.

Kluczowym wynikiem tego eksperymentu jest wykazanie, że błędy nie skalują się szybko w tych nadprzewodzących chipach. Zamiast tego zespół wykazał, że błędy rosną powoli w sposób, który powinien umożliwić znaczącą superpozycję do 60 kubitów. Wyniki te dostarczają obiecujących dowodów na to, że supremację kwantową można osiągnąć przy użyciu istniejącej technologii - twierdzą naukowcy.

To interesująca praca. To wyraźnie sugeruje, że supremacja kwantowa powinna być możliwa dzięki chipowi, który zawiera 50 pętli nadprzewodzących zamiast zaledwie dziewięciu. Stworzenie takiego chipa powinno być proste — w istocie trudno sobie wyobrazić, że zespół nie tworzy go w tej chwili.

Ale jest ważne zastrzeżenie. Układ z 50 kubitami będzie możliwy tylko wtedy, gdy błędy będą nadal skalować się w sposób pokazany przez zespół. A to rodzi ważne pytanie. Zespół wykazał, jak skalują się błędy wraz ze wzrostem liczby kubitów z pięciu do dziewięciu. Ale czy błędy będą skalować się w taki sam sposób, jak kubity wzrosną z dziewięciu do 50?

Jeśli nie, do supremacji kwantowej jeszcze daleko. Ale jeśli tak się stanie, ten zespół będzie miał nadzieję na uzyskanie supremacji kwantowej w nadchodzących miesiącach.

Jest to więc pytanie, na które Neill, Roushan i spółka będą teraz ciężko pracować. Z niecierpliwością czekamy na zgłoszenie ich wyników.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1709.06678 : Plan zademonstrowania supremacji kwantowej za pomocą nadprzewodzących kubitów

ukryć