Στα περισσότερα άρθρα που αναλύουν την κβαντική υπολογιστική, αναφέρεται συχνά ο όρος “κβαντική υπεροχή” (ή “κβαντικό πλεονέκτημα”). Ενώ ακούγεται εντυπωσιακό, η κεντρική ιδέα είναι σχετικά απλή: Εάν ένας κβαντικός υπολογιστής — με τα χρήσιμα qubits του σε κατάσταση υπέρθεσης – μπορεί να κάνει υπολογισμούς που θα ήταν αδύνατοι (ή εξαιρετικά μη πρακτικοί) για έναν κλασικό υπερυπολογιστή, τότε έχει επιτύχει την κβαντική υπεροχή.
Το 2019, η Google επιχείρησε πρώτη να κατοχυρώσει τον τίτλο της υπολογιστικής υπεροχής, ενώ έναν χρόνο αργότερα, το ίδιο έκαναν ερευνητές στην Κίνα. Και στις δύο περιπτώσεις, οι εμπειρογνώμονες δεν ήταν απόλυτα σίγουροι αν είχαν κατακτήσει πραγματική υπεροχή.
Στην περίπτωση της Google, ο κβαντικός υπολογιστής Sycamore ολοκλήρωσε μια εργασία σε τρία λεπτά και 20 δευτερόλεπτα, για την οποία η εταιρεία δήλωσε ότι ένας συμβατικός υπολογιστής θα χρειαζόταν 10.000 χρόνια για να την ολοκληρώσει.
Ωστόσο, το 2024, το Εργαστήριο Τεχνητής Νοημοσύνης της Σαγκάης στην Κίνα ολοκλήρωσε την ίδια εργασία σε 14 δευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας έναν εντυπωσιακά ισχυρό, αλλά αναμφίβολα κλασικό υπερυπολογιστή. Όπως σημειώνει το New Scientist, η απόδειξη της κβαντικής υπεροχής είναι ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς πρέπει οι ερευνητές να είναι σίγουροι ότι οι κλασικοί αλγόριθμοι δεν θα μπορούσαν ποτέ να λύσουν την εργασία που ανατίθεται στον κβαντικό υπολογιστή — και φαίνεται ότι οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν τελικά το κατάφεραν.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο arXiv, η ερευνητική ομάδα με έδρα τις Η.Π.Α., υπό την καθοδήγηση επιστημόνων από το UT Austin, αναφέρει ότι κατάφεραν να δείξουν με επιτυχία την «αδιαμφισβήτητη διάκριση» μεταξύ κβαντικών και κλασικών υπολογιστών.
«Ένας διαχρονικός στόχος της κβαντικής επιστήμης της πληροφορίας είναι να επιδειχθούν κβαντικοί υπολογισμοί που δεν μπορούν να ρεαλιστικά αναπαραχθού σε έναν κλασικό υπολογιστή», έγραψαν οι συγγραφείς.
«Δημιουργούμε μια εργασία, για την οποία ο πιο αποδοτικός κλασικός αλγόριθμος απαιτεί αποδεδειγμένα μεταξύ 62 και 382 bits μνήμης, και τη επιλύουμε χρησιμοποιώντας μόνο 12 qubits[…]. Αυτού του είδους το κβαντικό πλεονέκτημα – το οποίο ονομάζουμε κβαντική υπεροχή πληροφοριών — αντιπροσωπεύει ένα νέο σημείο αναφοράς στην κβαντική υπολογιστική, το οποίο δεν βασίζεται σε αβέβαιες υποθέσεις».
Το πρόβλημα που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα
Στο πείραμα, ο κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποίησε qubits που ήταν κατασκευασμένα από ιόντα και ελέγχονταν από λέιζερ. Αντί να δημιουργήσουν κάποιον πολύ περίπλοκο υπολογισμό, οι ερευνητές εστίασαν σε κάτι λίγο μικρότερο. Στόχος ήταν να δείξουν πως μια κβαντική μηχανή θα μπορούσε να επιλύσει ένα πρόβλημα, χρησιμοποιώντας σημαντικά λιγότερα qubits από έναν συμβατικό υπολογιστή με κανονικά bits.
Χρησιμοποιώντας τα καθιερωμένα πειραματικά ψευδώνυμα Alice και Bob για τα άκρα του συστήματος, η εργασία απαιτούσε από την Alice να δημιουργήσει μια κβαντική κατάσταση και από τον Bob να μετρήσει αυτήν την κατάσταση για να κατανοήσει τις ιδιότητές της. Ο κβαντικός υπολογιστής στη συνέχεια βελτιστοποίησε αυτή τη διαδικασία μέχρι η έξοδος του Bob να μπορεί να προβλεφθεί προτού η Alice αποκαλύψει την κατάστασή της, όπως αναφέρει το New Scientist.
Ενώ ο κβαντικός υπολογιστής χρειάστηκε μόνο 12 qubits για να ολοκληρώσει αυτή την εργασία, οι συγγραφείς σημείωσαν ότι ένας κλασικός υπολογιστής θα απαιτούσε μεταξύ 62 και 382 bits για να εκτελέσει την ίδια εργασία — αδιαμφισβήτητη απόδειξη της κβαντικής υπεροχής πληροφοριών.
«Σε αντίθεση με προηγούμενες αποδείξεις κβαντικού πλεονεκτήματος που βασίζονται σε μη αποδεδειγμένες υποθέσεις πολυπλοκότητας, το αποτέλεσμα μας είναι αποδεικτέο και μόνιμο: καμία μελλοντική ανάπτυξη κλασικών αλγορίθμων δεν μπορεί να καλύψει αυτό το κενό», έγραψαν οι συγγραφείς.
Αν και είναι καλό να το γνωρίζουμε, οι επιστήμονες είχαν ήδη μια υποψία ότι η κβαντική υπολογιστική θα ξεπερνούσε τελικά την κλασική της αντίστοιχη, λόγω των ιδιοτήτων υπέρθεσης των qubits. Η πραγματική πρόκληση από εδώ και πέρα θα είναι η κατασκευή κβαντικών υπολογιστών με αντοχή στα σφάλματα και περισσότερα από 1.000 qubits — και, προς χαρά μας, τα πράγματα εξελίσσονται.
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό Nature, οι επιστήμονες του Χάρβαρντ παρουσίασαν με επιτυχία έναν υπολογιστή 3.000 qubit, με νέες μεθόδους διόρθωσης σφαλμάτων.
Με την κβαντική υπεροχή να έχει επιτευχθεί με επαληθεύσιμο τρόπο, η εργασία συνεχίζεται ώστε η υπόσχεση αυτών των φουτουριστικών υπολογιστών να γίνει πραγματικότητα.