Google po raz kolejny twierdzi, że komputer kwantowy przewyższył superkomputer. Gdyby tylko udało się to udowodnić.

„Komputery kwantowe stoją w obliczu silnej konkurencji” – mówi Andreas Wallraff. Fizyk kwantowy z ETH w Zurychu wie, o czym mówi: pracuje nad udoskonaleniem komputerów kwantowych, aby w przyszłości mogły one rozwiązywać w ciągu kilku minut zadania, które dzisiejszym superkomputerom zajęłyby lata.

Taką przynajmniej obietnicę twórcy komputerów kwantowych składają od lat. Google wielokrotnie twierdził w ostatnich latach, że jego komputery kwantowe rozwiązują określone problemy szybciej niż komputery klasyczne – osiągając w ten sposób przewagę kwantową. Niedawno firma poinformowała na swoim blogu badawczym, że jej układ kwantowy „Willow” rozwiązał zadanie 13 000 razy szybciej niż drugi najszybszy superkomputer na świecie. Algorytm ten może być na przykład wykorzystany do obliczania właściwości molekularnych, takich jak odległości atomowe.

Inni, tacy jak kanadyjska firma D-Wave Systems, również twierdzili, że mają przewagę kwantową. Jednak te twierdzenia zostały szybko obalone. Albo badacze wykazali, że ulepszone algorytmy klasyczne są równie szybkie, albo zadania te nie miały praktycznego zastosowania. Najnowsze twierdzenie Google o przewadze kwantowej również spotyka się z krytyką: jeden z recenzentów wskazuje na metodę sztucznej inteligencji , która prawdopodobnie mogłaby rozwiązać problem równie szybko, a którą zespół Google pominął w swoim porównaniu.

Czy szum wokół komputerów kwantowych to tylko puste gadanie? Nie, twierdzi Scott Aaronson: „To normalny proces naukowy – niektórzy twierdzą, że komputery kwantowe mają przewagę, inni próbują ją obalić” – mówi informatyk z University of Texas, który krytycznie przygląda się badaniom nad komputerami kwantowymi. „Przewagę kwantową należy traktować jako falsyfikowalną hipotezę” – piszą Olivia Lanes i współpracownicy z IBM . W artykule wyjaśniają, co tak naprawdę oznacza „przewaga kwantowa” i jak można ją udowodnić. Te pytania same w sobie są przedmiotem badań.

„Przewaga kwantowa oznacza, że ​​komputer kwantowy rozwiązuje problem wydajniej – czyli szybciej lub taniej” – mówi Andreas Wallraff. „Punktem odniesienia są najpotężniejsze superkomputery. Poprzeczka jest więc postawiona bardzo wysoko”. Podczas gdy superkomputery stają się coraz szybsze, fizycy wciąż zmagają się z podatnością kubitów, najmniejszych jednostek obliczeniowych w komputerach kwantowych, na błędy.

Nie jest jeszcze możliwe skuteczne korygowanie błędów za pomocą dodatkowych kubitów, aby komputery kwantowe mogły działać stabilnie przez dłuższy czas. To poważnie ogranicza ich wydajność. Dlatego porównywanie ich do superkomputerów jest nieco niesprawiedliwe, podobnie jak porównywanie w pełni sprawnego samochodu wyścigowego do prototypu.

Pomimo inherentnych wad kubitów, naukowcy dążą do wykonywania użytecznych obliczeń. Poszukują zadań, z którymi komputery klasyczne mają problemy, a komputery kwantowe radzą sobie znakomicie. Należą do nich na przykład kwantowe symulacje chemiczne cząsteczek w procesie opracowywania leków lub problemy optymalizacyjne w logistyce i transporcie. Oprócz licznych grup akademickich, ponad 200 startupów na całym świecie pracuje nad komputerami kwantowymi. Dla nich udowodniona przewaga w dziedzinie kwantowej byłaby szansą na wyróżnienie się.

Scott Aaronson narzeka, że ​​pojawiają się „fałszywe twierdzenia” – na przykład, że udowodniono przewagę kwantową. Jest to jednak mało prawdopodobne, ponieważ brakuje ustalonych kryteriów oceny. To zawsze pozostawia pole do interpretacji.

„Jednym ze sposobów potwierdzenia przewagi kwantowej jest replikacja wyniku na komputerze kwantowym innej grupy” – mówi Wallraff. „Ale nie każdy ma dostęp do tak zaawansowanego sprzętu jak Google”. Co więcej, różne zespoły pracują z różnymi technologiami – od pętli nadprzewodzących po neutralne atomy, jony i półprzewodniki. To również komplikuje reprodukcję wyników.

Twórcy oprogramowania próbują zademonstrować przewagę kwantową, powierzając wewnętrznemu zespołowi ekspertów zadanie pokonania własnego algorytmu metodami klasycznymi – twórca oprogramowania w istocie wciela się w rolę krytyka. Na przykład Google podobno zainwestował dziesięć osobolat w testowanie dziewięciu klasycznych algorytmów. Doprowadziło ich to do wniosku, że układ kwantowy „Willow” rozwiązuje problem 13 000 razy szybciej. Wallraff podkreśla jednak, że odzwierciedla to jedynie obecny stan badań. „Inni mogą w każdej chwili opracować szybsze algorytmy klasyczne – to ciągła konkurencja”.

Prawdopodobnie najbardziej wiarygodną metodą weryfikacji przewagi kwantowej jest porównanie z eksperymentami: właściwości molekularne można mierzyć w laboratorium. Aby przetestować symulacje na kwantowym chipie Google'a, naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley określili odległości między atomami wodoru w dwóch cząsteczkach organicznych za pomocą jądrowego rezonansu magnetycznego. Pomiary te były zgodne z wartościami obliczonymi przez „Willow”.

Eksperyment dotyczył jednak małych cząsteczek, które można również symulować za pomocą konwencjonalnych komputerów. W przypadku większych cząsteczek, gdzie możliwe było wykazanie przewagi kwantowej, „Willow” jest nadal zbyt podatny na błędy.

Dla Dietera Kranzlmüllera porównanie z komputerami klasycznymi jest kwestią drugorzędną. Centrum Superkomputerowe Leibniza pod Monachium, którym kieruje, połączyło komputer kwantowy niemiecko-fińskiego startupu IQM ze swoim superkomputerem. „Superkomputer powinien zawsze uzyskiwać dostęp do komputera kwantowego, gdy ten ostatni jest lepszy” – mówi Kranzlmüller – na przykład w podzadaniach mechaniki kwantowej. Kranzlmüller uważa, że ​​jeśli przewaga kwantowa stanie się oczywista, wkrótce powstaną standardy, które pozwolą ją precyzyjnie określić.

Uważa konkurencję za produktywną: „Wcześniejsze twierdzenia o przewadze kwantowej często pokazywały, że klasyczne algorytmy również można przyspieszyć” – mówi informatyk. „Prowadząc podstawowe badania nad komputerami kwantowymi, dowiadujemy się wielu rzeczy, które mają zastosowanie również w komputerach konwencjonalnych”.

Scott Aaronson podziela podobny pogląd. Komputery kwantowe z korekcją błędów mogłyby w przyszłości umożliwić skok wydajności znacznie przekraczający możliwości superkomputerów. Świętym Graalem jest rozkład dużych liczb na czynniki pierwsze – podstawa współczesnego szyfrowania i praktycznie nierozwiązywalny dla dzisiejszych komputerów klasycznych. „Jeśli nam się to uda, albo osiągniemy ogromną przewagę kwantową”, mówi Aaronson, „albo ktoś znajdzie szybką klasyczną metodę rozkładu na czynniki pierwsze, która byłaby niemal tak samo rewolucyjna dla kryptografii i matematyki”.