Se așteaptă ca calculatoarele cuantice să rezolve unele probleme care nu sunt la îndemâna celor mai puternice supercalculatoare imaginabile. Atingerea acestei etape a fost numită „supremația cuantică”.
Dar dacă supremația cuantică a fost atinsă încă și ce ar însemna aceasta pentru domeniu rămân nedeterminate.
Termenul „supremație cuantică” a fost inventat în 2012 de John Preskillprofesor de fizică teoretică la Caltech, pentru a descrie punctul în care a calculator cuantic poate face ceva ce un clasic nu poate.
Trecerea acestui prag a devenit o vedetă călăuzitoare pentru companiile de tehnologie care construiesc computere cuantice la scară largă. În 2019, în o lucrare publicată în revista NatureGoogle a devenit primul care a declarat că a atins supremația cuantică. Alte grupuri au făcut afirmații similare în ultimii ani.
Cu toate acestea, mai multe dintre aceste afirmații, inclusiv cele ale Google, au fost respinse de atunci, după ce cercetătorii au dezvoltat algoritmi clasici noi, care merg în picioare cu computerele cuantice.
În plus, experimentele de supremație cuantică s-au concentrat pe probleme fără aplicații practice evidente, sugerând că computerele cuantice utile ar putea fi încă departe, William Feffermanun profesor asistent de informatică la Universitatea din Chicago, a declarat pentru Live Science. Cu toate acestea, ideea a contribuit la promovarea progresului în domeniu și va fi o trambulină crucială către mașini mai puternice, a adăugat el.
„Trebuie să mergi înainte de a putea fugi”, a spus Fefferman. „Nu cred că cineva are o foaie de parcurs perfectă pentru cum să treacă de la obținerea unui avantaj cuantic într-un mod cu adevărat decisiv la următorul pas de rezolvarea unei probleme utile pe un computer cuantic pe termen scurt. Dar sunt convins că este primul pas în proces”.
Cum s-au manifestat până acum demonstrațiile de supremație cuantică
Informaticienii teoreticieni au descoperit mai mulți algoritmi cuantici care pot, în principiu, să rezolve probleme mult mai rapid decât cei clasici. Asta pentru că pot exploata efecte cuantice precum incurcarea și suprapunere pentru a codifica datele foarte eficient și a procesa mult mai multe calcule în paralel decât poate un computer clasic. Dar numărul de qubiți — echivalentul cuantic al biților — necesar pentru implementarea lor la o scară suficientă pentru a arăta un avantaj este cu mult peste ceea ce este disponibil cu procesoarele cuantice de astăzi.
Drept urmare, eforturile de a demonstra supremația cuantică s-au concentrat pe probleme extrem de inventate, menite să favorizeze computerul cuantic. Experimentul Google din 2019 a implicat un procesor de 54 de qubiți care efectuează o serie de operațiuni aleatorii. Deși rezultatul ar fi în mod fundamental inutil, cercetătorii au estimat că ar dura aproximativ 10.000 de ani pentru a simula procesul pe supercomputerul Summit al Laboratorului Național Oak Ridge, cea mai puternică mașină clasică din lume la acea vreme.
Asta pentru că proprietățile neobișnuite ale mecanica cuantică înseamnă că simularea acestor sisteme pe un computer clasic devine rapid insolubilă pe măsură ce devin mai mari, a spus Simon Benjaminprofesor de tehnologii cuantice la Universitatea din Oxford. „Nu înseamnă că computerele cuantice sunt lucruri misterioase, magice”, a spus el. „Știm ecuațiile cărora le respectă. Dar, pe măsură ce le considerați pe cele mai mari, devine din ce în ce mai greu pentru computerul clasic să țină evidența acestor ecuații”.
Acest lucru se datorează fenomenului cuantic de suprapunere. În timp ce un bit într-un computer clasic poate reprezenta doar 1 sau 0, un qubit poate codifica un amestec complex de ambele stări în același timp. În mod esențial, mai mulți qubiți pot fi într-o suprapunere comună, ceea ce înseamnă că un sistem cuantic poate reprezenta toate combinațiile posibile de valori de qubit simultan.
Asta înseamnă că descrierea a doi qubiți necesită patru numere pentru a acoperi toate stările posibile ale sistemului, a explicat Benjamin. Și pentru fiecare qubit suplimentar, numărul de biți clasici necesari pentru a reprezenta starea computerului cuantic se dublează. „Destul de repede ajungem la cifre mari”, a spus el.
Pentru a oferi o idee despre cât de repede se extinde problema, a spus Benjamin, un sistem de 30 de qubiți poate fi simulat confortabil pe un laptop bun. Cu 40 de qubiți, ai avea nevoie de un supercomputer la scară universitară, iar cu aproximativ 46 de qubiți, ai atinge limitele celor mai puternice mașini clasice din lume.
Cu toate acestea, aceste estimări se referă la provocarea de a simula exact un sistem cuantic perfect. În realitate, calculatoarele cuantice de astăzi sunt foarte predispuse la erori, ceea ce oferă comenzi rapide pentru algoritmii clasici. În 2022, un grup de la Academia Chineză de Științe a arătat că un supercomputer la scară universitară ar putea simulează experimentul cuantic Google din 2019 în doar ore, în parte prin sacrificarea preciziei în favoarea vitezei.
De ce utilitatea cuantică este favorabilă supremației cuantice
Alte afirmații de supremație cuantică au întâmpinat provocări similare. Un grup de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China pretins în o lucrare din 2021 că o operațiune de eșantionare aleatorie pe care au efectuat-o pe un computer cuantic bazat pe lumină de 144 de qubiți ar depăși orice mașină clasică. Dar Fefferman a spus că grupul său a făcut-o de când arătată că pot exploata zgomotul din sistem pentru a simula experimentul în mai puțin de o oră. Aceeași abordare ar trebui să poată simula un similar experimentul supremației cuantice anunțat de startup-ul Xanadu în 2022, a adăugat el.
Din câte știe Fefferman, există încă două experimente de supremație cuantică. În 2023, Google a folosit un procesor de 70 de qubiți pentru a extinde rezultatul anterior al companiei și în 2024Quantinuum a susținut că a depășit piatra de hotar cu computerul său cuantic H2-1 de 56 de qubiți. Dar Fefferman nu ar fi surprins dacă sunt dezvoltate abordări clasice care pot simula rapid aceste experimente în viitor. „Nu îmi țin respirația”, a spus el.
O realizare definitivă a supremației cuantice va necesita fie o reducere semnificativă a ratelor de eroare ale hardware-ului cuantic, fie o mai bună înțelegere teoretică a tipului de zgomot pot exploata abordările clasice pentru a ajuta la simularea comportamentului computerelor cuantice predispuse la erori, a spus Fefferman.
Dar acest dus-întors între abordarea cuantică și cea clasică ajută la împingerea domeniului înainte, a adăugat el, creând un ciclu virtuos care îi ajută pe dezvoltatorii de hardware cuantic să înțeleagă unde trebuie să se îmbunătățească.
„Din cauza acestui ciclu, experimentele s-au îmbunătățit dramatic”, a spus Fefferman. „Și ca teoretician care vine cu acești algoritmi clasici, sper că, în cele din urmă, nu mai sunt capabil să o fac.”
Deși este incert dacă supremația cuantică a fost deja atinsă, este clar că ne aflăm în pragul acesteia, a spus Benjamin. Dar este important să ne amintim că atingerea acestui reper ar fi o realizare în mare măsură academică și simbolică, deoarece problemele abordate nu au nicio utilitate practică.
„Suntem la acel prag, aproximativ vorbind, dar nu este un prag interesant, pentru că de cealaltă parte nu se întâmplă nimic magic”, a spus Benjamin. „Calculatoarele cuantice nu devin dintr-o dată utile”.
De aceea, mulți din domeniu își reorientează eforturile către un nou obiectiv: demonstrarea „utilității cuantice” sau capacitatea de a arăta o accelerare semnificativă față de computerele clasice pe o problemă practic utilă. Unele grupuri, inclusiv cercetători de la IBMsperă că și computerele cuantice de astăzi predispuse la erori ar putea realiza acest lucru în termen scurt cu privire la unele probleme specifice.
De asemenea, Google a demonstrat recent o piatră de hotar cheie în cursa pentru realizarea calculului cuantic tolerant la erori. Procesorul său cuantic „Willow”. a fost primul care a eliminat mai multe erori decât au fost introduse pe măsură ce creșteți numărul de qubiți fizici într-un qubit logic. Aceasta înseamnă o reducere exponențială a erorilor și o posibilă cale către calculul cuantic fără erori.
Dar Benjamin a spus că există un consens tot mai mare în domeniu că această piatră de hotar nu va fi atinsă până când nu vom avea computere cuantice tolerante la erori. Acest lucru va necesita procesoare cuantice cu mult mai mulți qubiți decât avem astăzi, a spus el, deoarece cele mai bine studiate coduri de corectare a erorilor cuantice necesită de ordinul a 1.000 de qubiți fizici pentru a produce un singur qubit tolerant la erori sau logic.
Având în vedere că cele mai mari computere cuantice din ziua de azi tocmai au depășit pragul de 1.000 de qubiți, acest lucru este probabil încă departe. „Sunt optimist că în cele din urmă un astfel de computer cuantic va exista, dar sunt pesimist că va exista în următorii cinci sau 10 ani”, a spus Fefferman.
Comentarii recente