Computerul cuantic care bate orice PC clasic la propriul joc. Experimentul care demonstrează matematic avantajul cuantic

Un computer cuantic a trecut un test conceput astfel încât avantajul său față de sistemele clasice să nu depindă doar de presupunerea că „nu există încă un algoritm mai bun”. Cercetătorii de la Quantinuum au creat un joc matematic în care limita maximă a unui calculator clasic poate fi demonstrată riguros, apoi au rulat experimentul pe procesorul cuantic H2. Rezultatul, descris de Phys.org, arată că sistemul cuantic a depășit în mod repetat cea mai bună strategie clasică posibilă, iar diferența a crescut exponențial odată cu dimensiunea problemei.

Studiul, publicat în Nature Communications de o echipă condusă de Marcello Benedetti și Harry Buhrman, încearcă să rezolve una dintre problemele recurente ale demonstrațiilor de „avantaj cuantic”. Atunci când o companie susține că un computer cuantic a realizat ceva imposibil pentru sistemele convenționale, rămâne întotdeauna întrebarea dacă nu cumva un algoritm clasic mai inteligent ar putea recupera diferența. Exact acest lucru s-a întâmplat în trecut, iar Playtech a scris inclusiv despre situația în care un laptop obișnuit a reușit calcule considerate anterior rezervate sistemelor cuantice. Noul experiment încearcă să elimine tocmai această portiță.

Jocul în care un computer clasic pornește cu un dezavantaj imposibil de eliminat

Experimentul folosește o problemă numită „complement sampling”. Simplificat, imaginează-ți că toate răspunsurile posibile sunt împărțite în secret în două grupuri egale, A și B. Computerul primește un element care aparține grupului A și trebuie să producă un element din grupul B, fără să i se spună însă regula după care au fost formate cele două grupuri.

Pentru un computer clasic, informația disponibilă este extrem de limitată. Știe că răspunsul primit nu trebuie repetat, dar nu poate afla pur și simplu care dintre celelalte variante fac parte din grupul opus. Pe măsură ce numărul posibilităților crește, șansele unei strategii clasice sunt limitate matematic. Important este că cercetătorii pot demonstra această limită, nu doar să afirme că cele mai bune programe cunoscute în prezent nu reușesc să o depășească.

Vezi și:

Ce sunt gropile misterioase apărute pe Calea Crângași. Răspunsul lui Ciprian Ciucu a stârnit reacții: „Și eu credeam la fel”

Un computer cuantic poate aborda jocul diferit datorită superpoziției. Sistemul poate reprezenta simultan întregul set relevant de posibilități, iar un circuit special, descris de cercetători drept „swapper”, transformă starea într-una corespunzătoare complementului acesteia. După măsurare, calculatorul poate produce astfel un element din grupul B cu o performanță inaccesibilă strategiei clasice.

Experimentul a ajuns la 55 de qubiți, iar diferența a crescut

Cercetătorii au testat metoda pe calculatoarele cuantice Quantinuum System Model H2, bazate pe ioni capturați. Au fost executate mii de circuite cuantice, iar cele mai mari experimente au folosit până la 55 de qubiți. În ciuda zgomotului și erorilor inevitabile ale hardware-ului cuantic actual, sistemul a continuat să depășească limita clasică.

Mai important, diferența nu s-a micșorat atunci când problemele au devenit mai dificile. Dimpotrivă, avantajul a crescut exponențial, în concordanță cu predicțiile teoretice. Studiul descrie rezultatul drept o „încălcare exponențial de mare a clasicității”, obținută fără să se bazeze pe ipoteze neverificate privind dificultatea computațională.

Vezi și:

Sirop de arțar și ochelari de soare într-un computer cuantic? Explicația care face fizica să pară mai puțin complicată

Un nou test pune computerele cuantice la încercare. Cele mai puternice sisteme sunt încă departe de problemele reale

Este o diferență importantă față de multe demonstrații anterioare de avantaj cuantic. Recent, un calculator cuantic IBM a rezolvat în aproximativ 15 minute o problemă extrem de dificilă pentru metodele clasice, însă una dintre marile provocări ale domeniului rămâne verificarea faptului că un sistem clasic nu poate găsi ulterior o metodă mai eficientă.

Quantinuum a mai demonstrat deja performanțe importante cu aceeași familie H2. Într-un experiment anterior, un computer cuantic de 56 de qubiți a depășit sistemele clasice în generarea de aleatorietate certificată, o tehnologie cu posibile aplicații în criptografie și securitate.

De ce acest rezultat contează mai mult decât câștigarea unui simplu joc

Miza experimentului nu este jocul în sine. Complement sampling a fost construit în primul rând ca un instrument prin care cercetătorii să poată verifica dacă un computer cuantic manifestă cu adevărat un comportament imposibil de reprodus clasic. Testul poate fi verificat eficient și, potrivit autorilor, ar putea deveni un benchmark scalabil pentru generațiile viitoare de hardware cuantic.

Aceasta este o problemă crucială pe măsură ce computerele cuantice devin mai mari. Cu cât crește numărul de qubiți și complexitatea circuitelor, cu atât devine mai greu pentru un calculator convențional să simuleze experimentul și să confirme independent rezultatul. În același timp, crește de regulă și zgomotul hardware. În acest experiment, însă, avantajul observat s-a mărit odată cu dimensiunea problemei, chiar dacă sistemul real nu este lipsit de erori.

Calculatoarele cuantice sunt încă departe de a înlocui PC-urile sau supercomputerele în sarcinile obișnuite. Nici acest studiu nu arată că un procesor cuantic este „mai rapid” în general. Demonstrează avantajul pentru o problemă special construită, într-un domeniu în care sistemele cuantice încă se confruntă cu dificultăți majore de stabilitate și corectare a erorilor.

Următorul pas propus de cercetători este și mai ambițios. Echipa vrea să transforme experimentul într-un protocol între două computere cuantice separate fizic și conectate printr-un canal real de comunicație cuantică. Dacă metoda poate fi extinsă în acest mod, ea ar putea deveni una dintre cele mai solide metode prin care viitoarele calculatoare cuantice își pot demonstra avantajul fără ca rezultatul să depindă de presupunerea că, undeva, nu există un algoritm clasic mai bun.

Chiriile din România au crescut de peste 14 ori mai repede decât media UE. De ce s-a ajuns aici