Chińczycy twierdzą, że ich kwantowa maszyna w niespełna trzy i pół minuty wykonała obliczenie, które klasycznemu superkomputerowi zajęłoby miliardy lat
Mamy dowody na to, że nasz kwantowy komputer jest lepszy od klasycznego, czyli uzyskał tak zwaną „przewagę kwantową” (quantum advantage albo quantum supremacy) – twierdzą Chińczycy. Ich maszyna miała wykonać obliczenie, które nawet najszybszym dziś superkomputerom zajęłoby 2,5 mld lat. Wyniki publikują w renomowanym „Science”.
Chińska maszyna wykorzystuje fotonikę, czyli nie elektrony w tranzystorach, lecz fotony. Muszą być to fotony bardzo konkretnego rodzaju, a ich źródłem jest laser.
„Dowiedliśmy, że można wykorzystać fotony, podstawowe kwanty światła, by uzyskać siłę obliczeniową kwantowych komputerów znacząco przewyższającą [moc obliczeniową] komputerów klasycznych” – mówi „Nature” Jian-Wei Pan z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Hefei. I dodaje, że obliczenia (dotyczące tzw. Boson sampling problem) nie są tylko sztuką dla sztuki. Mogą mieć praktyczne zastosowanie w teorii grafów, chemii kwantowej i uczeniu maszynowym.
„To niewątpliwy wyczyn i istotny kamień milowy” – komentuje sprawę Ian Walmsay, fizyk z Imperial College London.
Wielki wyścig
Uniwersytety i firmy prywatne ścigają się o „kwantowe pierwszeństwo”, czyli kto pierwszy skonstruuje komputer kwantowy – oczywiście taki, który byłby użyteczny. Na razie, jak się wydaje, na czele jest Google, choć IBM podważył osiągnięcie swego konkurenta. Od tego czasu jedyną firmą, która pochwaliła się działającą kwantową maszyną – ale wciąż w budowie – był Honeywell.
Dowiedliśmy, że można wykorzystać fotony, podstawowe kwanty światła, by uzyskać siłę obliczeniową kwantowych komputerów znacząco przewyższającą [moc obliczeniową] komputerów klasycznych
Jian-Wei Pan, Uniwersytet Naukowo-Technologiczny w Hefei
Po co ten wyścig? Nie tylko po sławę. Komputery kwantowe (przynajmniej w teorii) mają szybko rozwiązywać bardzo złożone obliczenia, nieosiągalne dziś nawet dla najpotężniejszych superkomputerów. Kilka miesięcy temu Google pochwalił się, że jego kwantowy komputer w kilkadziesiąt sekund wykonał obliczenie, które klasycznemu superkomputerowi zajęłoby dziesiątki tysięcy lat.
Kwantowe maszyny znacząco przyspieszyłyby rozwój nauki i techniki. Dziś niektóre problemy są zbyt „kosztowne obliczeniowo”, czyli wymagają zbyt wielkiej mocy procesorów i zbyt długiego czasu, by je badać. Naukowcy muszą zadowolić się przybliżeniami i badać je eksperymentalnie.
Przyspieszyłyby, gdyby działały zgodnie z założeniami – lecz co do tego jest trochę wątpliwości natury teoretycznej i praktycznej. Kwantowe maszyny są podatne na zaburzenia do tego stopnia, że trzeba je izolować nawet od promieniowania cieplnego i kosmicznego (choć według ostatnich doniesień jest nadzieja na zmianę tego stanu rzeczy).
Kwantowe czy niekwantowe?
Osiągnięcia Google’a były kwestionowane. Niektórzy naukowcy sądzą, że jego kwantowa maszyna nie dokonała niczego, czego nie mógłby dokonać algorytm klasyczny (IBM twierdzi, że badacze Google’a źle liczą, a superkomputer może wykonać to samo w 2,5 dnia).
Co do zasady, jeśli da się rozwiązać jakiś problem, którego rozwiązanie teoretycznie zajęłoby wieki, w czasie znacznie krótszym, to byłby to dowód „kwantowości” danej maszyny obliczeniowej.
Chińskiemu zespołowi z Hefei udało się rozwiązać problem postawiony w 2011 roku przez Scotta Aaronson i Alexa Arkhipova, wówczas pracujących w MIT. Polega on na obliczeniu rozkładu prawdopodobieństwa bozonów (rodzaju cząstek elementarnych, do których należą m.in. fotony), bowiem ich natura sprawia, że wchodzą ze sobą bezustannie w interakcje. Prawdopodobieństwo wykrycia bozonu w danym miejscu jest więc równaniem o bardzo wielu niewiadomych (Aaronson i Arkhipov wykazali, że nie ma tu metody na skróty, więc klasyczne obliczenia zajmą nieprawdopodobnie dużo czasu).
Tylko jedna droga na skróty
Kwantowy komputer może jednak ominąć obliczenia i symulować proces bezpośrednio – bozony, z których będzie zbudowany, mogą wchodzić ze sobą w interakcje, a wyniki statystycznego rozkładu tego procesu można próbkować. To właśnie zrobili Chińczycy, i to w temperaturze pokojowej.
Ich komputer w niczym nie przypomina tradycyjnego. To układ laserów, luster, pryzmatów i detektorów. Wykorzystali laserowe impulsy świetlne, by zakodować położenie i polaryzację poszczególnych stanów fotonów (orientację ich pól elektromagnetycznych). Potem pozwolili fotonom ze sobą „reagować”. Na koniec wykorzystali detektory mogące wykryć pojedyncze fotony, aby zmierzyć rozkład prawdopodobieństwa, w którym zakodowane są obliczenia tak trudne do przeprowadzenia klasycznie.
W ten sposób udało się rozwiązać problem w 200 sekund. Badacze szacują, że chińskiemu superkomputerowi TaihuLight zajęłoby to 2,5 miliarda lat. Ich wyniki są zbliżone do teoretycznych obliczeń Aaronsona i Arkhipova, więc wszystko wskazuje na to, że istotnie jest to komputer kwantowy (choć dość ułomny).
Metoda ta nie nadaje się do rozwiązywania żadnych innych problemów obliczeniowych, czyli chiński „fotoniczny komputer” jest nieprogramowalny. Może obliczać tylko rozkład dystrybucji bozonów. I choć wyniki przydadzą się w niektórych problemach chemii i matematyki, dopiero zbudowanie układu, który można programować, pozwoli na wykorzystanie niebywałej kwantowej przewagi do rozwiązywania innych problemów.
Przełomu nie będzie?
To dopiero drugi dowód, że kwantowe układy obliczeniowe są lepsze od klasycznych. Chao-Yang Lu, jeden z autorów pracy, twierdzi, że przełomowy moment, w którym komputery kwantowe zyskają przewagę nad klasycznymi, nie nastąpi nigdy. Będzie to raczej stały postęp wymagający sprawdzania, czy klasyczny superkomputer nie może wykonać tego, co właśnie osiągnął kwantowy.