Kvantu dators pārspēj matemātiski pierādīto klasisko datoru robežu

Kvantu datoriem teorētiski piemīt spējas, kas ievērojami pārsniedz tradicionālo datoru iespējas, taču pierādīt šo priekšrocību praksē ir sarežģīti. Kvantu sistēmas rezultātu pārbaude pati par sevi var prasīt aprēķinus, kas klasiskajiem datoriem kļūst pārmērīgi grūti.

Šo problēmu pētnieki risināja ar īpaši izstrādātu spēli, kuras pamatā ir skaitļošanas uzdevums, ko dēvē par komplementa paraugu ņemšanu. Tam ir matemātiski pierādīta robeža, cik labi var darboties jebkura klasiskā stratēģija.

Spēle ar divām iespējamo atbilžu grupām

Iedomāsimies, ka visas iespējamās atbildes slepeni sadalītas divās vienādās grupās — A un B. Sistēmai tiek dota nejauši izvēlēta atbilde no grupas A, bet tās uzdevums ir nosaukt atbildi no grupas B.

Klasiskais dators no saņemtās informācijas var secināt tikai to, ka dotā atbilde pieder A, tāpēc to nedrīkst atkārtot. Tas nezina, kurām no pārējām iespējamām atbildēm pieder A vai B. Jo vairāk ir iespējamo atbilžu, jo mazāk vērtīga kļūst šī vienīgā informācija. Pētnieki matemātiski pierādīja, cik labi šādā situācijā var veikties pat labākajai klasiskajai stratēģijai.

Kvantu datoram pieejamas citas iespējas. Kubits — kvantu bits — pirms mērījuma var atrasties abu stāvokļu superpozīcijā. Tādējādi sistēma var saņemt stāvokli, kas superpozīcijā ietver visu kopu A, nevis tikai vienu tās elementu. Ar īpašu “swapper” ķēdi tā šo stāvokli pārveido par komplementāro kopu B un tikai pēc tam veic mērījumu.

Ideālā, bezkļūdu kvantu sistēmā šāda stratēģija uzdevumu izpildītu katru reizi. Klasiskajam datoram uzdevums kļūst eksponenciāli grūtāks, palielinoties bitu skaitam un līdz ar to arī iespējamo atbilžu skaitam. Šī atšķirība nav tikai nepietiekami gudra algoritma sekas — klasiskās sistēmas ierobežojums ir matemātiski pierādīts.

Eksperiments ar līdz 55 kubitiem

Komanda, kuru vadīja datorzinātnieki Marčello Benedeti un Harijs Būrmans no Apvienotās Karalistes uzņēmuma Quantinuum, spēli izmēģināja uzņēmuma H2 kvantu datoros ar iesprostotiem joniem. Tika izmantoti tūkstošiem dažādu ķēžu, bet eksperimenti mērogoti līdz 55 kubitiem.

Reālās ierīces, protams, nebija ideālas. Eksperimentiem kļūstot lielākiem un prasot vairāk kvantu operāciju, aparatūras troksnis arvien vairāk pasliktināja rezultātus. Tomēr kvantu sistēma visos eksperimentos pārsniedza klasisko robežu. Tās rezultāti statistiski nebija savienojami ar to, ko būtu varējusi sasniegt jebkura klasiskā stratēģija.

Turklāt, uzdevumam kļūstot sarežģītākam, priekšrocība pieauga eksponenciāli. Lielākajā pārbaudītajā mērogā — ar 37 bitu virknēm — sistēma nesasniedza teorētiski ideālo rezultātu, tomēr pētnieki norādīja uz “eksponenciāli lielu klasiskuma pārkāpumu”.

Sākotnējās atbildes izvēlējošais “tiesnesis” un to analizējošais “spēlētājs” tika īstenoti vienā kvantu datorā, bet saziņas kanāls simulēts ar kvantu teleportāciju. Stingrākā nākotnes pārbaudē šīs funkcijas varētu veikt divi atsevišķi kvantu datori, kas savienoti ar īstu kvantu sakaru kanālu.

Pētījums, kas publicēts žurnālā Nature Communications, piedāvā principa pierādījumu jaunai kvantu aparatūras pārbaudes metodei. Tā ir mērogojama, samērā viegli pārbaudāma un nebalstās uz nepierādītiem pieņēmumiem par klasisko datoru spējām. Pētnieki uzsver, ka tests demonstrē kvantu superpozīcijas jaudu neatkarīgi no sapīšanās un nelokalitātes.