Kvantna računala trebala bi imati mogućnosti daleko veće od onih koje nude današnja klasična računala. No postoji jedan veliki problem – kako dokazati da kvantno računalo doista može napraviti ono što klasično računalo ne može?

Provjera rezultata kvantnog računala može biti gotovo jednako zahtjevna kao i samo računanje. Ako je problem dovoljno složen, klasičnom računalu za provjeru rezultata može trebati neprihvatljivo mnogo vremena. Znanstvenici su sada osmislili domišljat način za zaobilaženje tog problema – svojevrsnu igru u kojoj se kvantni i klasični sustavi mogu izravno usporediti.

Rezultat je posebno zanimljiv jer za klasična računala postoji matematički dokazano ograničenje koliko dobro mogu riješiti zadatak.

Kada je tim računalnih znanstvenika Marcella Benedettija i Harryja Buhrmana iz Quantinuuma u Ujedinjenom Kraljevstvu isti test proveo na kvantnom računalu s uhvaćenim ionima, ono je s lakoćom nadmašilo tu granicu, piše ScienceAlert.

Štoviše, što je zadatak bio složeniji, to je razlika između kvantnog računala i najbolje moguće klasične strategije postajala veća, navode istraživači u radu objavljenom u časopisu Nature Communications.

Igra u kojoj se računala moraju nadmudriti

Kvantna računala svoju potencijalnu prednost temelje na neobičnim pravilima kvantne fizike.

Dok klasični bit može imati samo jednu od dvije vrijednosti – 0 ili 1 – kvantni bit, odnosno kubit, može se nalaziti u superpoziciji tih stanja sve dok ga ne izmjerimo. Tek mjerenjem dobivamo jedan konkretan rezultat.

Upravo ta sposobnost superpozicije može kvantnim računalima omogućiti da određene probleme obrađuju na način koji je klasičnim računalima iznimno teško ponoviti.

Znanstvenici su odlučili upravo to staviti na kušnju. Osmislili su eksperiment temeljen na računalnom zadatku poznatom kao uzorkovanje komplementa (complement sampling). Zamislimo da su svi mogući odgovori na neki problem tajno podijeljeni u dvije jednake skupine – A i B.

Računalu se zatim daje jedan nasumično odabrani odgovor iz skupine A, a njegov je zadatak vratiti odgovor koji pripada skupini B. Na prvi pogled zvuči jednostavno, ali za klasično računalo problem je vrlo težak. Ono zna da dobiveni odgovor pripada skupini A i da ga stoga ne smije ponovno odabrati. No nema informaciju o tome koji od svih ostalih mogućih odgovora pripadaju skupini A, a koji skupini B.

Što je više mogućih odgovora, ta jedna informacija postaje sve manje korisna. Istraživači su pritom uspjeli matematički dokazati koliko dobro može proći najbolja moguća strategija klasičnog računala.

Kvantno računalo igra po potpuno drukčijim pravilima

Kvantno računalo u ovom zadatku može iskoristiti svojstvo superpozicije.

Umjesto da dobije samo jedan nasumični odgovor iz skupine A, ono može primiti stanje koje istodobno predstavlja cijeli skup A u superpoziciji. Još je važnije što to stanje može obrađivati prije nego što ga izmjeri.

Znanstvenici su za to koristili takozvani “swapper” sklop, odnosno kvantni sklop koji stanje koje predstavlja skup A pretvara u stanje koje predstavlja njegovu suprotnost – skup B.

Tek nakon te transformacije stanje se mjeri, čime se dobiva odgovor iz skupine B. U idealnom kvantnom računalu, bez ikakvih pogrešaka i šuma, takva bi strategija pobijedila svaki put.

Za klasično računalo situacija je bitno drukčija. Ono mora izmjeriti početno stanje kako bi dobilo jedan slučajno odabrani odgovor iz skupine A, a zatim pokušati pogoditi odgovor koji pripada skupini B.

Razlika raste što je problem veći

Upravo tu nastaje golema razlika između dvaju pristupa.

Dok bi idealno kvantno računalo moglo pobijediti u svakoj rundi, prednost koju može ostvariti najbolja moguća klasična strategija eksponencijalno se smanjuje kako raste broj bitova, odnosno broj mogućih odgovora.

I pritom nije riječ o tome da znanstvenici jednostavno još nisu pronašli dovoljno dobar klasični algoritam.

Ograničenje je matematički dokazano. Drugim riječima, ne ovisi o pretpostavci da je problem samo vjerojatno pretežak za klasično računalo.

To je istraživačima omogućilo da osmisle rijedak oblik testa u kojem je rezultate relativno lako provjeriti, dok istodobno postoji čvrsta matematička granica za ono što može postići klasično računalo.

Testirali ga na stvarnom kvantnom računalu

Istraživači su potom eksperiment proveli na kvantnim računalima H2 tvrtke Quantinuum, koja koriste zarobljene ione kao fizičku osnovu za kubite. Proveli su tisuće različitih kvantnih sklopova, a eksperimente su povećali sve do 55 kubita.

Naravno, stvarno kvantno računalo nije savršeno.

Kako su eksperimenti postajali veći i zahtijevali sve više kvantnih operacija, pogreške i šum u hardveru počeli su sve više utjecati na rezultate.

Unatoč tome, kvantni sustav je u svim eksperimentima uspio prijeći granicu koju je postavila najbolja moguća klasična strategija.