Komputery kwantowe są szybkie, ale dają wiele błędnych odpowiedzi. Najnowsze badania pokazują, że odpowiednia technika ograniczania błędów może to naprawić. Naukowcy z IBM twierdzą, że osiągnęli przełom w niezawodności obliczeń kwantowych.
Dzisiaj najpotężniejsze superkomputery mogą symulować złożone wzorce pogodowe i narodziny gwiazd, ale nawet skromny komputer kwantowy może przewyższyć te maszyny. Tajemnicza natura mechaniki kwantowej do tej pory sprawiała, że obliczenia kwantowe były jedynie ciekawostką. Jednak IBM twierdzi, że firmie udało się dokonać znaczącego przełomu. Jay Gambetta z IBM Quantum mówi, że osiągnęliśmy „erę użyteczności”.
Komputery kwantowe są bardzo modnym tematem badań, ale nie były jeszcze przydatne do wykonywania obliczeń. Jednak naukowcy nie ustają w wysiłkach, bowiem obliczenia kwantowe mają niesamowity potencjał. Dziwne właściwości kwantowe, takie jak splątanie, interferencja i superpozycja, mogą w przyszłości bardzo przyspieszyć obliczenia. Komputery cyfrowe, z których korzystamy od dziesięcioleci, wykorzystują tranzystory do oznaczania 1 lub 0. Wykorzystując superpozycję, bit kwantowy (kubit) może być 1, 0 lub jednym i drugim. Przechowywanie wielu wartości umożliwia kubitowi wykonywanie wielu obliczeń na raz, podczas gdy klasyczny komputer musi wykonywać je po kolei.
Niezawodność obliczeń kwantowych ważniejsza od supremacji
Systemy te są niewiarygodnie szybkie, ale nie dają spójnych wyników – przynajmniej do tej pory. Przełomowe badanie zostało opublikowane przez naukowców z IBM Quantum i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w magazynie Nature. Google ogłosił supremację kwantową w 2019 roku, wykonując obliczenia, które, według przedstawicieli koncernu, zajęłyby tysiące lat na komputerze cyfrowym. Na naszym blogu pisaliśmy o tym w tekście „Do 2029 roku ma powstać w pełni funkcjonalny komputer kwantowy”. Jednak dalsza analiza wykazała, że konwencjonalny komputer jest w stanie wykonać te same obliczenia, jeśli da mu się trochę więcej czasu. Twierdzenie IBM dotyczy nie tyle szybkości, co niezawodności. Aby komputer kwantowy był użyteczny, musi dawać tę samą odpowiedź za każdym razem. IBM zrobił duży krok w tym kierunku, demonstrując ograniczanie błędów.
Zespół stworzył symulację 127-atomowych magnesów sztabkowych za pomocą 127-kubitowego komputera. Taki system jest znany jako model Isinga i jest często używany do badania magnetyzmu. W tej skali na magnesy wpływają czynniki kwantowe, co uniemożliwia dokładną symulację na klasycznym komputerze. Naukowcy wykorzystali interferencję kwantową do przesunięcia wyników, odsuwając je dalej od rozwiązania. Wprowadzając szum do obliczeń, zespół IBM Quantum mógł zrozumieć jego skutki w symulacji – pracując wstecz mogli osiągnąć idealny wynik o niskim poziomie szumu.
Jak sprawdzać poprawność obliczeń kwantowych?
Naukowcy wykonali symulację kwantową Isinga 600 000 razy, aby znaleźć właściwą konfigurację. Jednak jej weryfikacja stanowiła inny problem. Ponieważ modele Isinga są tak złożone, symulacje cyfrowe szacują tylko niektóre parametry. Przy porównywaniu wyniówi kwantowych z klasycznymi szacunkami, niektóre konfiguracje wykazały większą dokładność w systemie kwantowym. Z kolei innych wartości są rozbieżne, ale nie ma ustalonego rozwiązania. W takich przypadkach nie wiemy, czy rozwiązania kwantowe są prawidłowe, ale zespół podejrzewa, że tak.
Modelowanie magnesów to tylko jeden ze sposobów testowania ograniczania błędów kwantowych, ale chodzi o to, aby komputery kwantowe były użyteczne w przypadku ogólnych problemów. Być może dzieli nas od tego jeszcze wiele lat, ale IBM kontynuuje poszukiwania. A jest o co walczyć – o tym, jak komputery kwantowe zmienią nasze życie pisaliśmy na naszym blogu w tekście „Jak obliczenia kwantowe mogą zmienić świat?”.
Źródła: Extreme Tech, IBM, UC Berkeley