Google tvrdi da je postigao "kvantnu nadmoć"

Podsjetimo se: kvantna računala rade na potpuno drugačiji način od klasičnih; klasični bit je ili 1 ili 0, a kvantni bit (qubit) može postojati u više stanja odjednom. Kad su qubiti neraskidivo povezani, fizičari teoretski mogu iskoristiti interferenciju između njihovih kvantnih stanja, nalik valovima, kako bi izvršili izračune za koje bi inače bili potrebni milijuni godina.

AUTOR: Nature
OBJAVLJENO: 23.10.19 u 17:30
OSVJEŽENO: 23.10.19 u 17:30
http://bit.ly/2MDKZDF
Znanstvenici iz Googlea tvrde da su postigli kvantnu nadmoć, dugoočekivanu prekretnicu u kvantnom računarstvu. O svom pothvatu izvjestili su u časopisu Nature 23. listopada, nedugo nakon što je u medije slučajno izašla prva verzija rada prije 5 tjedana, koju Google tada nije komentirao.

Tim koji je predvodio John Martinis, eksperimentalni fizičar na Sveučilištu u Kaliforniji i Google Mountain View, tvrdi kako je njihovo kvantno računalo za 200 sekundi izvelo izračun koji je izvan mogućnosti klasičnih računala. Za obavljanje iste radnje najboljim trenutnim superračunalima bilo bi potrebno 10.000 godina, procjenjuju iz Googlea.

Kvantna nadmoć već dugo se smatra prekretnicom u računarstvu jer je ona dokaz da kvantna računala mogu nadmašiti klasična, rekao je Martinis. Iako je riječ o jednom specifičnom slučaju, ovaj događaj fizičarima pokazuje da kvantna mehanika djeluje onako kako se i očekivalo kada se suoči sa složenim problemom.

"Izgleda da nam je Google dao prvi eksperimentalni dokaz da je kvantno ubrzanje moguće postići u stvarnom sustavu", komentirala je Michelle Simmons, kvantna fizičarka sa Sveučilišta New South Wales.

Martinis je eksperiment svog tima usporedio s testom Hello World, kojim se testiraju novi sustavi tako što ih isprogramiramo da prikažu tu frazu; on sam po sebi nije osobito koristan, ali je dokaz da kvantni hardver i softver rade ispravno, rekao je.

O ovom Googleovom pothvatu prvi su pisali Financial Times i drugi prije mjesec dana, nakon što je u javnost procurila rana verzija rada na NASA-inoj web stranici, koja je vrlo brzo povučena. Inače, NASA surađuje s Googleom na području kvantnog računarstva. Google nije komentirao niti potvrdio vijesti o verziji rada koja je objavljena.

Iako izračun koji je Google odabrao za ovaj eksperiment – provjeravanje outputa iz kvantnog generatora slučajnih brojeva – ima ograničenu praktičnu primjenu, "znanstveno dostignuće je ogromno, pod pretpostavkom da drži vodu, a vjerujem da je tako", rekao je Scott Aaronson sa Teksaškog sveučilišta u Austinu.

Znanstvenici izvan Googlea već pokušavaju poboljšati klasične algoritme koji se koriste za rješavanje problema u nadi da će smanjiti procjenu tvrtke o '10.000 godina'. Tvrtka IBM, Googleov suparnik u izgradnji najboljih kvantnih računala, izvijestila je da bi problem mogao biti riješen za samo 2,5 dana na klasičnim računalima pomoću drugačije tehnike, no njihov rad nije recenziran. Ukoliko je IBM u pravu, umanjio bi Googleov pothvat pokazivanja kvantne "prednosti" – obavljanja određene radnje mnogo brže od klasičnog računala, ali ne i nešto što je van dosega klasičnih računala. No, Simmons tvrdi kako bi u pitanju i dalje bila značajna prekretnica. "Koliko mi je poznato, ovo je prvi put da je to stvarno demonstrirano, tako da je definitivno u pitanju veliki rezultat", rekla je.

Podsjetimo se: kvantna računala rade na potpuno drugačiji način od klasičnih; klasični bit je ili 1 ili 0, a kvantni bit (qubit) može postojati u više stanja odjednom. Kad su qubiti neraskidivo povezani, fizičari teoretski mogu iskoristiti interferenciju između njihovih kvantnih stanja, nalik valovima, kako bi izvršili izračune za koje bi inače bili potrebni milijuni godina.

Fizičari smatraju da bi kvantna računala jednog dana mogla pokrenuti revolucionarne algoritme koji mogu pretraživati ogromne baze podataka i faktorirati ogromne brojeve, uključujući, što je najvažnije, one koji se koriste za enkripciju. No, takva primjena kvantnih računala još uvijek je jako daleko. Što je više qubita povezano, to je teže održavati njihova krhka stanja dok je uređaj u pogonu. Googleov algoritam radi na kvantnom čipu od 54 qubita, od kojih se svaki sačinjen od superprovodnih petlji. No, to je samo mali dio od milion qubita koji je potreban za stroj opće namjene.

Zadatak koji je Google postavio svom kvantnom računalu je "malo čudan", komentirao je Christopher Monroe, fizičar sa Sveučilišta u Marylandu. Googleovi fizičari prvi su put razradili taj zadatak 2016. godine, a osmišljen je tako da bude pretežak za obična računala. Zatim su taj zadatak postavili Sycamoreu – opisati vjerojatnost različitih ishoda iz kvantne verzije generatora slučajnih brojeva. To su napravili pokretanjem kruga koji provlači 53 qubita kroz slučajne operacije. To generira 53-znamenkasti niz nula i jedinica, s ukupno 253 mogućih kombinacija (koristili su samo 53 qubita jer se jedan pokvario). Riječ je o toliko složenom procesu da je po svim poznatim principima nemoguće izračunati rezultat, pa je on u suštini slučajan. No, zbog interferencija između qubita neki nizovi brojeva su vjerojatniji od drugih.

Sycamore je izračunao te vjerojatnosti stvarajući uzorak strujnog kruga, izvodeći ga milijun puta i mjereći outpute. Potvrda njegova rezultata bila je izazov za sebe. Da bi u tom uspjeli, znanstvenici su usporedili njegove rezultate s rezultatima simulacija manjih i jednostavnijih verzija krugova, koje su izračunavala klasična računala – uključujući i superračunalo Summit. Izvodeći rezultate iz ovih primjera, Googleov tim je provijenio da bi simulacija punog kruga zahtijevala 10.000 godina rada, čak i na računalu s milijun procesnih jedinica (što je ekvivalent otprilike 100.000 stolnih računala). Sycamore je radnju obavio za 3 minute i 20 sekundi.

Google stoga smatra kako je njihov eksperiment čvrsto dokazao kvantnu nadmoć. Čak i ako drugi drugi znanstvenici uspiju smanjiti vrijeme potrebno klasičnom računalu za izvršavanje ove radnje, činjenica je da se kvantni hardver poboljšava – što znači da ga, kada je riječ o ovom zadatku, konvencionalna računala vjerojatno neće sustići, komentirao je Hartmut Neven, voditelj Googleovog tima za kvantno računarstvo.

Monroe je rekao da bi Googleovo postignuće moglo biti korisno zbog privlačenja većeg broja znanstvenika i inženjera području kvantnog računarstva, ali upozorava da bi se mogao steći pogrešan dojam da su kvantna računala mnogo bliže praktičnoj primjeni nego što zaista jesu.

Znanstvenici ustvari tek trebaju pokazati da programabilno kvantno računalo može riješiti koristan zadatak, nerješiv na sve druge načine – poput izračunavanja elektroničke strukture određene molekule, što je ozbiljan problem koji zahtijeva modeliranje višestrukih kvantnih interakcija. Drugi važan korak je demonstracija kvantne nadmoći u algoritmu koji koristi postupak ispravljanja pogrešaka – metodu kojom se ispravljaju pogreške izazvane 'bukom' i koje bi inače uništile izračun. Fizičari smatraju da će to biti od ključne važnosti za funkcioniranje kvantnih računala na većoj razini.

Google radi na ostvarenju oba ova cilja i rezultate svojih eksperimenata će objaviti u narednim mjesecima, rekao je Martinis.

Aaronson je komentirao da bi Googleov eksperiment dokazivanja kvantne nadmoći mogao imati praktičnu primjenu – njime je stvoren protokol za korištenje takvog računanja kako bi se korisniku dokazalo da su bitovi koje generira kvantni generator slučajnih brojeva zaista slučajni. To bi se moglo iskoristiti primjerice u kriptografiji i za neke kriptovalute čija se sigurnost oslanja na slučajne ključeve.

Googleovi inženjeri morali su napraviti niz poboljšanja svog hardvera kako bi pokrenuli algoritam, uključujući izgradnju nove elektronike za kontrolu kvantnog kruga i osmišljavanje novog načina za povezivanje qubita, rekao je Martinis. "Ovo je zapravo osnova toga kako ćemo pojačavati svoj rad u budućnosti. Mislimo da je ova osnovna arhitektura naša put za napredak", zaključio je znanstvenik.

Više o kvantnim računalima, kvantnoj nadmoći i prvoj verziji Googleovog rada koja je procurila u javnost prije mjesec dana možete pročitati ovdje.

- Izvor: Nature [Autorica: Elizabeth Gibney]
Prevela: Ružica Ereš