Google dosiahol kvantovú výhodu s algoritmom, ktorý mapuje „ozveny“ častíc

Kvantové počítače sa z vedeckých laboratórií pomaly presúvajú do fázy, keď môžu začať riešiť reálne úlohy, ktoré sú mimo dosahu klasických superpočítačov. Google teraz ohlásil prelom, ktorý by mohol znamenať začiatok takzvanej praktickej kvantovej výhody, teda momentu, keď kvantový systém dokáže spracovať výpočty rýchlejšie a zároveň spôsobom, ktorý má vedecký význam.

Nový algoritmus, nazvaný quantum echoes, podľa výsledkov publikovaných v časopise Nature vykonáva operácie, ktoré by na najvýkonnejšom klasickom superpočítači trvali viac než tri roky, zatiaľ čo kvantový procesor ich zvládol za dve hodiny.

Základom experimentu bol čip Willow, najnovšia generácia kvantového hardvéru Google s viac ako stovkou supravodivých qubitov. Na rozdiel od predchádzajúcich demonštrácií, ktoré sa sústreďovali na rýchlosť, nový experiment sa zameriava na využiteľnosť. Ukazuje, že kvantový procesor dokáže nielen vykonať výpočty, ktoré sú pre klasické systémy extrémne náročné, ale aj poskytnúť dáta, ktoré môžu pomôcť porozumieť zložitým fyzikálnym javom, napríklad správaniu atómov v molekulách.

Nový algoritmus stojí na koncepte nazvanom „kvantové ozveny“. Ide o sériu operácií, pri ktorých kvantový systém najprv prechádza dopredu v čase, potom je jemne „narušený“ náhodnou zmenou a následne sa evolúcia obráti späť. Keby išlo o dokonalé zrkadlenie, systém by sa vrátil do pôvodného stavu. no práve drobná odchýlka vytvára podmienky na vznik tzv. ozveny. V kvantovom svete totiž takéto spätné kroky neprebiehajú čisto mechanicky, vplyvom prepojení medzi qubitmi dochádza k interferencii rôznych „časových ciest“, ktoré sa navzájom zosilňujú alebo oslabujú. Google tento jav využil na vytvorenie algoritmu, ktorý dokáže zachytiť veľmi jemné štruktúry v správaní mnohačasticových systémov.

Experiment publikovaný v spolupráci s viacerými akademickými inštitúciami, ukázal, že meranie týchto kvantových ozvien, technicky označovaných ako „out-of-time-order correlators“, poskytuje informácie, ktoré sú citlivé na najmenšie zmeny v dynamike systému. Pri použití 65 qubitov trvalo kvantovému procesoru získať výsledky približne 2,1 hodiny, zatiaľ čo odhadovaná simulácia na superpočítači Frontier by zabrala 3,2 roka. To predstavuje náskok približne trinásťtisícnásobný, čo je podľa vedcov jasná demonštrácia kvantovej výhody. V paperi sa zároveň uvádza, že algoritmus má „vysokú úroveň klasickej simulačnej zložitosti“, teda že jeho presné napodobenie na bežnom počítači je prakticky nemožné.

Zaujímavé je, že Google demonštroval aj potenciálnu praktickú úlohu, ktorú možno týmto prístupom riešiť. Tím využil kvantové ozveny na tzv. učenie Hamiltoniánu, teda na zisťovanie neznámych parametrov systému, ktorý opisuje interakcie medzi časticami. Takáto metóda by mohla nájsť uplatnenie napríklad v oblasti jadrovej magnetickej rezonancie, kde sa zmeny správania spinov atómových jadier používajú na skúmanie molekulárnych štruktúr. Ak sa podarí tento postup rozšíriť, kvantové počítače by mohli pomáhať s meraniami, ktoré sú dnes za hranicou možností klasickej fyziky.

Google svoj výsledok označuje ako krok smerom k „praktickému kvantovému náskoku“. Zatiaľ čo predchádzajúce experimenty dokazovali len rýchlosť kvantových obvodov, aktuálny výskum spája výpočtový výkon s reálnou vedeckou úlohou. Samotný experiment však stále prebiehal na pomerne malých systémoch, ktoré je v princípe možné s veľkým úsilím simulovať aj klasicky. Autori odhadujú, že na modelovanie väčších molekúl by bolo potrebné znížiť chybovosť kvantových brán ešte troj- až štvornásobne.