Οι κβαντικοί υπολογιστές ελέγχουν ο ένας τον άλλον λειτουργούν

Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν προβλήματα πολύ περίπλοκα για τους κανονικούς υπολογιστές, τουλάχιστον θεωρητικά. Γι' αυτό οι ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο προσπάθησαν να τα κατασκευάσουν εδώ και δεκαετίες. Αλλά αυτή η εξαιρετική ισχύς εγείρει ένα ανησυχητικό ερώτημα:Πώς θα γνωρίζουμε εάν τα αποτελέσματα ενός κβαντικού υπολογιστή είναι αληθινά αν δεν υπάρχει τρόπος να τα ελέγξουμε; Η απάντηση, αποκαλύπτουν τώρα οι επιστήμονες, είναι ότι ένας απλός κβαντικός υπολογιστής -τα αποτελέσματα του οποίου μπορούν να επαληθεύσουν οι άνθρωποι- μπορεί με τη σειρά του να ελέγξει τα αποτελέσματα άλλων δραματικά πιο ισχυρών κβαντικών μηχανών.

Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται στην περίεργη συμπεριφορά της κβαντικής μηχανικής στην οποία άτομα και άλλα σωματίδια μπορούν φαινομενικά να υπάρχουν σε δύο ή περισσότερα μέρη ταυτόχρονα ή να «μπλέξουν» με τους συνεργάτες, που σημαίνει ότι μπορούν να επηρεάσουν ακαριαία το ένα το άλλο ανεξάρτητα από την απόσταση. Ενώ οι κλασσικοί υπολογιστές συμβολίζουν τα δεδομένα ως bit - μια σειρά από ένα και μηδενικά που εκφράζουν με το χτύπημα τρανζίστορ τύπου διακόπτη είτε ενεργοποιημένο είτε απενεργοποιημένο - οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά bit (qubits) που μπορούν ουσιαστικά να είναι ενεργοποιημένα και απενεργοποιημένα ταυτόχρονα ή σε οποιοδήποτε ενεργό συνδυασμός /off, όπως 32% ενεργοποίηση και 68% έκπτωση.

Επειδή κάθε qubit μπορεί να ενσωματώσει τόσες πολλές διαφορετικές καταστάσεις, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να υπολογίσουν ορισμένες κατηγορίες προβλημάτων δραματικά πιο γρήγορα από τους κανονικούς υπολογιστές, εκτελώντας κάθε συνδυασμό δυνατοτήτων ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, ένας κβαντικός υπολογιστής με 300 qubits θα μπορούσε να εκτελέσει περισσότερους υπολογισμούς σε μια στιγμή από ό,τι υπάρχουν άτομα στο σύμπαν.

Επί του παρόντος, όλοι οι κβαντικοί υπολογιστές περιλαμβάνουν μόνο λίγα qubits "και έτσι μπορούν εύκολα να επαληθευτούν από έναν κλασικό υπολογιστή ή σε ένα κομμάτι χαρτί", λέει ο κβαντικός φυσικός Philip Walther του Πανεπιστημίου της Βιέννης. Ωστόσο, οι δυνατότητές τους θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τους συμβατικούς υπολογιστές "στο όχι τόσο μακρινό μέλλον", προειδοποιεί, γεγονός που εγείρει το πρόβλημα επαλήθευσης.

Οι επιστήμονες έχουν προτείνει μερικούς τρόπους εξόδου από αυτό το αίνιγμα που θα περιλαμβάνει υπολογιστές με μεγάλο αριθμό qubits ή δύο μπερδεμένους κβαντικούς υπολογιστές. Αλλά αυτά εξακολουθούν να βρίσκονται εκτός της εμβέλειας της τρέχουσας τεχνολογίας.

Τώρα, η κβαντική φυσική Stefanie Barz στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, μαζί με τον Walther και τους συναδέλφους τους, έχουν μια νέα στρατηγική για επαλήθευση. Βασίζεται σε μια τεχνική γνωστή ως τυφλός κβαντικός υπολογισμός, μια ιδέα που απέδειξαν για πρώτη φορά σε μια Επιστήμη το 2012 χαρτί. Ένας κβαντικός υπολογιστής λαμβάνει qubits και ολοκληρώνει μια εργασία με αυτά, αλλά παραμένει τυφλός για το ποια ήταν η είσοδος και η έξοδος, ακόμη και ο υπολογισμός που εκτέλεσε.

Για να ελέγξουν την ακρίβεια ενός μηχανήματος, οι ερευνητές ολοκλήρωσαν μια υπολογιστική εργασία με «παγίδες» — σύντομους ενδιάμεσους υπολογισμούς στους οποίους ο χρήστης γνωρίζει εκ των προτέρων το αποτέλεσμα. «Σε περίπτωση που ο κβαντικός υπολογιστής δεν κάνει σωστά τη δουλειά του, η παγίδα δίνει ένα αποτέλεσμα που διαφέρει από το αναμενόμενο», εξηγεί ο Walther. Αυτές οι παγίδες επιτρέπουν στο χρήστη να αναγνωρίσει πότε ο κβαντικός υπολογιστής είναι ανακριβής, αναφέρουν οι ερευνητές στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature Physics . Τα αποτελέσματα δείχνουν πειραματικά ότι ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να επαληθεύσει τα αποτελέσματα ενός άλλου και ότι θεωρητικά οποιοδήποτε μέγεθος κβαντικού υπολογιστή μπορεί να επαληθεύσει οποιονδήποτε άλλο, λέει ο Walther.

Η ύπαρξη μη ανιχνεύσιμων σφαλμάτων θα εξαρτηθεί από τον συγκεκριμένο κβαντικό υπολογιστή και τον υπολογισμό που εκτελεί. Ωστόσο, όσο περισσότερες παγίδες δημιουργούν οι χρήστες στις εργασίες, τόσο καλύτερα μπορούν να διασφαλίσουν ότι ο κβαντικός υπολογιστής που δοκιμάζει υπολογίζει με ακρίβεια. "Το τεστ έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε ο κβαντικός υπολογιστής να μην μπορεί να διακρίνει την παγίδα από τις κανονικές του εργασίες", λέει ο Walther.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό υπολογιστή 4-qubit ως επαληθευτή, αλλά οποιοδήποτε μέγεθος θα το κάνει, και όσο περισσότερα qubits τόσο το καλύτερο, σημειώνει ο Walther. Η τεχνική είναι επεκτάσιμη, επομένως θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ακόμη και σε υπολογιστές με εκατοντάδες qubits, λέει, και μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε από τις πολλές υπάρχουσες πλατφόρμες κβαντικών υπολογιστών.

"Όπως σχεδόν όλα τα τρέχοντα πειράματα κβαντικών υπολογιστών, αυτό έχει επί του παρόντος την κατάσταση μιας διασκεδαστικής επίδειξης απόδειξης της ιδέας, αντί για οτιδήποτε είναι άμεσα χρήσιμο ακόμα", λέει ο θεωρητικός επιστήμονας υπολογιστών Scott Aaronson στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ. Αλλά αυτό δεν μειώνει τη σημασία αυτών των διαδηλώσεων, προσθέτει. "Είμαι πολύ χαρούμενος που τελείωσαν, καθώς είναι απαραίτητα πρώτα βήματα εάν πρόκειται να έχουμε ποτέ χρήσιμους κβαντικούς υπολογιστές."