Kvantové počítače sľubujú prelom v riešení zložitých úloh, ale ich vývoj je stále v skorom štádiu. V poslednej dobe sa hovorí o kvantovej nadvláde (quantum supremacy), ako o míľniku, ktorý Google údajne nedávno prekročil. Čo to ale znamená?
Experimenty kvantovej nadvlády sa snažia rigorózne zodpovedať otázku: Sú kvantové počítače sú naozaj fundamentálne výkonnejšie, ako klasické počítače? Prirodzená cesta by bolo ukázať, že kvantový počítač dokáže rozložiť veľké číslo na činitele (faktorizácia, napríklad: 15 = 5 × 3, akurát s väčšími číslami). Informatici veria, že táto úloha je zložitá pre klasické počítače a veľká časť súčasného šifrovania je založeného na tejto zložitosti. Faktorizácia je ale „ľahká“ pre kvantové počítače a dá sa riešiť pomocou Shorovho algoritmu. Podľa najnovších odhadov, takýto experiment vyžaduje zhruba 20 miliónov qubitov (kvantových bitov) a veľmi presné operácie [1].
Nanešťastie (alebo našťastie), kvantové počítače sú od takéhoto výpočtu ďaleko. Vedci preto už niekoľko rokov hľadali výpočty, ktoré by boli veľmi ťažké pre klasické počítače ale dali by sa vyriešiť s niekoľkými desiatkami qubitov a relatívne malým počtom operácii na kvantovom počítači. Takýchto problémov je niekoľko, ale najsľubnejším sú takzvané náhodne kvantové obvody [2-5].
Zadanie problému je takéto: Najprv náhodne vyberieme kvantový program (obvod) s danými počtom qubitov a elementárnych operácií a dáme mu na vstup samé nuly. Naša úloha je generovať vzorky z rovnakej distribúcie aká vznikne po meraní takéhoto kvantového obvodu. Kvantové náhodne obvody sú pomerne jednoduchá úloha pre kvantové počítače pretože na nich takýto program môže jednoducho bežať. Dá sa rigorózne ukázať, že s rozumnými predpokladmi bude tento problém ťažký pre klasické počítače [2-5]. Navyše, dá sa ukázať, že náhodné obvody sú stále ťažké pre klasické počítače aj keď uvažujeme, že kvantový obvod obsahuje drobné chyby.
Dobrá správa je, že klasické superpočítače sú na pokraji simulovania existujúcich kvantových obvodov. Horšia správa je, že takýto problém nemá žiadne praktické aplikácie okrem demonštrovania sily kvantových počítačov. V tomto smere je označenie nadvláda trochu zavádzajúce – kvantové počítače porazia klasické počítače pri úlohe náhodných obvodov už pri zhruba päťdesiatich qubitoch, ale klasické počítače budú stále dominovať pri riešení drvivej väčšiny praktických problémov.
Veľká časť vedcov vidí potenciálne demonštrovanie kvantovej nadvlády, ako ukážku technologického pokroku. Takýto experiment vyžaduje fabrikáciu vyše päťdesiatich qubitov na malom čipe, ktorý bude dostatočne odizolovaný od okolia aby boli qubity dostatočné stabilné ale zároveň ich musíme individuálne a presne ovládať. Tieto požiadavky odlišujú digitálny kvantový počítač od existujúcich kvantových simulátorov a zároveň otvárajú priestor na nasledujúce experimenty.
[Mária]Články:
[1] https://arxiv.org/abs/1905.09749
[2] https://www.nature.com/articles/s41567-018-0124-x
[3] https://arxiv.org/abs/1803.04402
[4] https://arxiv.org/abs/1612.05903
[5] https://science.sciencemag.org/content/360/6385/195
Populárne zdroje:
https://www.quantamagazine.org/quantum-supremacy-is-coming-heres-what-you-should-know-20190718/
https://www.scottaaronson.com/blog/?p=4317
Obr: Google.