Νέα μορφή κβαντικού υπολογισμού υπόσχεται αναμέτρηση με συνηθισμένους υπολογιστές
Έχετε ακούσει τη διαφημιστική εκστρατεία εκατό φορές:Οι φυσικοί ελπίζουν κάποια μέρα να κατασκευάσουν έναν κβαντικό υπολογιστή που θα μπορούσε να λύσει προβλήματα που θα κατακλύζουν έναν συνηθισμένο υπολογιστή. Τώρα, τέσσερις ξεχωριστές ομάδες έχουν κάνει ένα βήμα προς την επίτευξη μιας τέτοιας «κβαντικής επιτάχυνσης» επιδεικνύοντας μια απλούστερη, πιο περιορισμένη μορφή κβαντικού υπολογισμού που, εάν μπορέσει να βελτιωθεί, θα μπορούσε σύντομα να δώσει στους κλασικούς υπολογιστές μια καλή προσπάθεια. Αλλά μην έχετε τις ελπίδες σας για έναν ολοκληρωμένο κβαντικό υπολογιστή. Το gizmos μπορεί να μην είναι καλό για πολλά πέρα από έναν συγκεκριμένο υπολογισμό.
Ακόμη και με τις επιφυλάξεις, η πρόκληση του κβαντικού υπολογισμού έχει αποδειχθεί τόσο δύσκολη που τα νέα έγγραφα κερδίζουν την προσοχή. «Το ερώτημα είναι αν αυτό σας δίνει ένα πρώτο βήμα για να κάνετε έναν σκληρό υπολογισμό κβαντομηχανικά, και φαίνεται ότι θα μπορούσε», λέει ο Scott Aaronson, θεωρητικός επιστήμονας υπολογιστών στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) στο Κέμπριτζ και συγγραφέας σε ένα από τα χαρτιά.
Αντί να αναστρέφει τα συνηθισμένα bit που μπορούν να ρυθμιστούν είτε στο 0 είτε στο 1, ένας λεγόμενος καθολικός κβαντικός υπολογιστής θα χειριζόταν κβαντικά bit ή "qubits", που μπορεί να είναι 0, 1 ή, χάρη στην περίεργη κβαντική μηχανική, 0 και 1 ταυτόχρονα. Μιλώντας χοντροκομμένα, ο κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να τσακίσει πολλούς αριθμούς ταυτόχρονα αντί να τους κάνει έναν-έναν, όπως πρέπει ένας «κλασικός» υπολογιστής. Έτσι θα μπορούσε να λύσει προβλήματα που θα κατακλύζουν έναν κανονικό υπολογιστή. Για παράδειγμα, ένας πλήρης «καθολικός» κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε γρήγορα να συνυπολογίσει τεράστιους αριθμούς, μια ικανότητα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να σπάσει τα σημερινά σχήματα κρυπτογράφησης στο Διαδίκτυο.
Πρώτον, οι ερευνητές πρέπει να συναρμολογήσουν λειτουργικά qubits. Για παράδειγμα, ένα ιόν μπορεί να χρησιμεύσει ως qubit περιστρέφοντας προς μια κατεύθυνση για να αναπαραστήσει το 0, έναν άλλο τρόπο για να αναπαραστήσει το 1 ή και με τους δύο τρόπους ταυτόχρονα για να κάνει την κατάσταση 0 και 1. Μια μέτρηση ενός qubit θα «καταρρεύσει» αυτή την αμφίδρομη κατάσταση για να δώσει είτε ένα 0 είτε ένα 1, αλλά η αμφίδρομη κατάσταση εξακολουθεί να είναι απαραίτητη για την επεξεργασία πολλών αριθμών ταυτόχρονα. Για να φτιάξουν έναν καθολικό κβαντικό υπολογιστή, οι επιστήμονες πρέπει επίσης να δημιουργήσουν μια περίεργη κβαντική σύνδεση μεταξύ των qubits που ονομάζεται «μπλέκωμα», στην οποία η μέτρηση σε ένα qubit καθορίζει την κατάσταση ενός άλλου. Το καλύτερο που έχει κάνει ένας στοιχειώδης καθολικός κβαντικός υπολογιστής είναι να συνυπολογίσει τον αριθμό 21 – σχεδόν μια εργασία που θα καταστρέψει τον προσωπικό σας υπολογιστή.
Ωστόσο, τέσσερις ομάδες έχουν πλέον επιδείξει έναν πιο περιορισμένο τύπο κβαντικού υπολογισμού που θα μπορούσε να αναπτυχθεί πιο γρήγορα. Όλα χρησιμοποιούν φωτόνια, κβαντικά σωματίδια φωτός, που διατρέχουν έναν λαβύρινθο διασταυρούμενων οπτικών καναλιών. Στις διασταυρώσεις, τα φωτόνια μπορούν να αλλάξουν μονοπάτια με ορισμένες πιθανότητες. Σε όλα τα πειράματα, τρία φωτόνια εισέρχονται και εξέρχονται είτε από πέντε είτε από έξι θύρες. Ο στόχος είναι να υπολογιστούν οι πιθανότητες να βγουν τα φωτόνια διάφοροι συνδυασμοί θυρών εξόδου.
Στο πρώτο ρουζ, το πρόβλημα μοιάζει με ένα κλασικό παζλ από μάρμαρα που κροταλίζουν μέσα σε έναν τέτοιο λαβύρινθο. Ωστόσο, λόγω της κβαντικής μηχανικής, τα φωτόνια λειτουργούν επίσης σαν κύματα που επικαλύπτονται για να ενισχύσουν το ένα το άλλο ή να ακυρώσουν το ένα το άλλο στα διάφορα μονοπάτια, κάτι που αλλάζει αυτό που αναδύεται από τις εξόδους. Ο υπολογισμός των πιθανών αποτελεσμάτων απαιτεί έναν μαθηματικό χειρισμό που είναι γνωστός ως λήψη της «μόνιμης» μιας μήτρας αριθμών που εξαρτάται από τη λεπτομέρεια του λαβύρινθου. Αυτός ο υπολογισμός είναι τόσο περίπλοκος που, με μερικές μόνο δεκάδες φωτόνια και θύρες, θα κατακλύζει έναν συνηθισμένο υπολογιστή.
Ωστόσο, η απάντηση μπορεί να δοθεί μετρώντας απλώς τι προκύπτει από τα αποτελέσματα. Σε μια τέτοια «δειγματοληψία μποζονίων», τα ίδια τα οπτικά κυκλώματα χρησιμεύουν ως κβαντικοί υπολογιστές για τον προσδιορισμό των κατανομών των μόνιμων. Και αυτό ακριβώς αναφέρουν ο Andrew White, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Queensland στο Μπρίσμπεϊν της Αυστραλίας, και οι συνεργάτες του (συμπεριλαμβανομένου του Aaronson) στο σημερινό τεύχος του Science , όπως και ο Ian Walmsley, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο και οι συνεργάτες του. Ο Philip Walther, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, και οι συνεργάτες του ανέφεραν πρόσφατα ένα παρόμοιο αποτέλεσμα σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv, όπως και ο Roberto Osellame του Ιταλικού Εθνικού Συμβουλίου Ερευνών και του Πολυτεχνείου του Μιλάνου και οι συνεργάτες του.
Άρα οι φυσικοί έχουν ξεπεράσει έναν κλασικό υπολογιστή; Δεν είναι καν κοντά. Τα τρέχοντα πειράματα χρησιμοποιούν τόσο μικρό αριθμό φωτονίων που θα χρειαζόταν ένας τυπικός φορητός υπολογιστής ένα κλάσμα του δευτερολέπτου για να κάνει τον ίδιο υπολογισμό. Αντίθετα, τα ίδια τα πειράματα μπορούν ακόμα να διαρκέσουν ώρες. Αλλά εάν το έργο μπορεί να κλιμακωθεί σε περίπου 25 φωτόνια και 400 κανάλια, τότε ο κλασικός υπολογιστής θα πρέπει να αρχίσει να μένει πίσω από το πείραμα, εκτιμά ο Walther. «Σε 10 περίπου χρόνια μπορεί να είστε σε θέση να χρησιμοποιήσετε την υπάρχουσα τεχνολογία και πόρους για να ξεπεράσετε τις επιδόσεις ενός συμβατικού υπολογιστή», λέει.
Ωστόσο, δεν είναι ξεκάθαρο ότι μια τέτοια προσπάθεια θα λειτουργήσει, λέει ο John Preskill, θεωρητικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα. Ένα μεγαλύτερο οπτικό κύκλωμα θα ήταν πιο ευαίσθητο σε επιδράσεις όπως η απορρόφηση φωτονίων μέσα στο κύκλωμα και ο οπτικός θόρυβος που θα μπορούσαν να παραμορφώσουν τα αποτελέσματα, σημειώνει ο Preskill. Κατά ειρωνικό τρόπο, ο υπολογισμός αυτών των ατελειών θα μπορούσε να κάνει τη μοντελοποίηση των κυκλωμάτων ευκολότερη, όχι πιο δύσκολη, και να επιτρέψει στον υπολογιστή να συμβαδίσει, λέει ο Preskill.
Όσο για τον υπολογισμό των μόνιμων - το μόνο πρόβλημα που λύνει αυτή η προσέγγιση - πιθανότατα δεν έχει καμία εφαρμογή πέρα από αυτά τα πειράματα. Ωστόσο, εάν η δειγματοληψία μποζονίων μπορεί να αποδειχθεί ταχύτερη από τον συνηθισμένο υπολογισμό, θα άξιζε να αναζητήσετε άλλες εφαρμογές, λέει ο Edward Farhi, θεωρητικός φυσικός στο MIT. "Ίσως δεν είναι καθολικό, αλλά ίσως υπάρχει ένα άλλο πρόβλημα που είναι πιο ενδιαφέρον που μπορείτε να το χαρτογραφήσετε."
Η πραγματική αξία του προβλήματος είναι ότι δίνει στους ερευνητές την ευκαιρία να δείξουν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να κάνει κάτι που ένας κλασικός υπολογιστής δεν μπορεί, λέει ο Preskill. «Αυτός είναι κάπως ο πυρήνας του τι είναι ο κβαντικός υπολογισμός», λέει. "Φυσικά, αυτοί οι τύποι έχουν μόνο τρία φωτόνια που μπαίνουν και βγαίνουν. Άρα έχουν δρόμο να πάνε."
