Φανταστείτε να ρίχνετε ταυτόχρονα 61 νομίσματα, με τη διαφορά ότι μπορούν να επηρεάζουν το ένα το άλλο με περίπλοκους κβαντικούς τρόπους και ότι πριν από κάθε ρίψη τα ανακατεύετε μέσω δεκάδων τυχαία επιλεγμένων πράξεων. Επαναλαμβάνετε το πείραμα ένα εκατομμύριο φορές και καταγράφετε κάθε αποτέλεσμα ως μια ακολουθία από μηδενικά και άσους.
Αυτή είναι μια πολύ απλουστευμένη εξήγηση του πειράματος που πραγματοποίησαν ερευνητές με τον κβαντικό επεξεργαστή Nighthawk r2 της IBM. Η διαδικασία ονομάζεται δειγματοληψία τυχαίων κυκλωμάτων (random-circuit sampling) και δεν έχει στόχο να λύσει κάποιο πρακτικό πρόβλημα στον πραγματικό κόσμο, αναφέρει το ZME Science. Χρησιμοποιείται κυρίως ως δοκιμασία των δυνατοτήτων ενός κβαντικού υπολογιστή: μπορεί να παράγει ένα μοτίβο αποτελεσμάτων που θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθεί από έναν συμβατικό υπολογιστή;
Ένα εκατομμύριο αποτελέσματα σε 19 δευτερόλεπτα
Στο νέο πείραμα, 61 qubits (μονάδα κβαντικής πληροφορίας που είναι συγκρίσιμη με ένα bit στους κλασικούς υπολογιστές, αλλά με την απίστευτη ικανότητα να αναπαριστά έναν πολύπλοκο συνδυασμό του 0 και του 1 ταυτόχρονα) πέρασαν από 36 διαδοχικούς κύκλους πράξεων, οι οποίοι περιλάμβαναν συνολικά 918 αλληλεπιδράσεις μεταξύ ζευγών qubits. Στη συνέχεια ο επεξεργαστής παρήγαγε ένα εκατομμύριο αποτελέσματα μέσα σε μόλις 19 δευτερόλεπτα.
Το σημαντικό στοιχείο, ωστόσο, δεν είναι η ταχύτητα παραγωγής μηδενικών και άσων. Αυτό μπορεί να το κάνει ακόμη και ένας κοινός υπολογιστής. Η πραγματική πρόκληση είναι η αναπαραγωγή της ίδιας κατανομής πιθανοτήτων που δημιουργεί το κβαντικό κύκλωμα: του περίπλοκου μοτίβου που καθορίζει ποιες από τις πιθανές ακολουθίες εμφανίζονται συχνότερα καθώς τα qubits αλληλεπιδρούν και διεμπλέκονται.
Ο υπερυπολογιστής Frontier θα χρειαζόταν 110 χρόνια
Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Tigran Sedrakyan της BlueQubit, εταιρείας λογισμικού και υπηρεσιών cloud για κβαντικές εφαρμογές με έδρα το Σαν Φρανσίσκο, εκτιμούν ότι η παραγωγή ενός εκατομμυρίου δειγμάτων αντίστοιχης πιστότητας με συγκεκριμένη μέθοδο κλασικής προσομοίωσης θα χρειαζόταν περίπου 110 χρόνια στον Frontier, έναν από τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές στον κόσμο.
Το αποτέλεσμα, που παρουσιάζεται σε προδημοσίευση στον διακομιστή Arxiv, θεωρείται ένα νέο βήμα προς το κβαντικό πλεονέκτημα, δηλαδή το σημείο όπου ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να εκτελέσει μια συγκεκριμένη υπολογιστική εργασία η οποία βρίσκεται ουσιαστικά πέρα από τις πρακτικές δυνατότητες των συμβατικών συστημάτων. Σε αντίθεση μάλιστα με προηγούμενα πειράματα, χρησιμοποιήθηκε επεξεργαστής διαθέσιμος σε εξωτερικούς ερευνητές μέσω της υποδομής cloud της IBM και όχι κάποια ειδικά κατασκευασμένη εργαστηριακή συσκευή.
Επαληθεύοντας κάτι που δεν υπολογίζεται
Το βασικό πρόβλημα ήταν πώς θα μπορούσαν οι επιστήμονες να επαληθεύσουν το αποτέλεσμα, αφού ο πλήρης υπολογισμός του «σωστού» κβαντικού αποτελέσματος είναι ακριβώς αυτό που είναι εξαιρετικά δύσκολο για έναν συμβατικό υπολογιστή.
Για τον λόγο αυτό χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές μεθόδους ελέγχου. Στην πρώτη, δημιούργησαν τροποποιημένες εκδοχές του κυκλώματος, στις οποίες έκοψαν ορισμένες συνδέσεις μεταξύ των 61 qubits και χώρισαν το σύστημα σε τρεις ή τέσσερις μικρότερες ομάδες. Αυτά τα επιμέρους κυκλώματα ήταν αρκετά απλά ώστε να προσομοιωθούν με ακρίβεια σε συμβατικούς υπολογιστές. Με αυτόν τον τρόπο μπορούσαν να συγκρίνουν τα αποτελέσματα του κβαντικού επεξεργαστή με μια γνωστή κλασική αναφορά.
Στη δεύτερη δοκιμή κατασκεύασαν «κατοπτρικά» κυκλώματα. Ο κβαντικός υπολογιστής εκτελούσε πρώτα μια σειρά πράξεων και αμέσως μετά την ακριβώς αντίστροφη ακολουθία. Θεωρητικά, ένας ιδανικός επεξεργαστής θα επέστρεφε τα qubits στην αρχική τους κατάσταση. Όσο περισσότερο απέκλινε το τελικό αποτέλεσμα, τόσο περισσότερος θόρυβος και σφάλματα είχαν συσσωρευτεί.
Οι δύο ανεξάρτητες μέθοδοι έδωσαν παρόμοια αποτελέσματα καθώς αυξανόταν το βάθος του κυκλώματος, ενισχύοντας την πεποίθηση των ερευνητών ότι το πλήρες πείραμα λειτουργούσε όπως αναμενόταν.