Επιστήμονες της IBM και συνεργαζόμενων ερευνητικών ιδρυμάτων ανακοίνωσαν ότι πέτυχαν το αποκαλούμενο «κβαντικό πλεονέκτημα» σε τρία διαφορετικά πειράματα δείχνοντας ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν πλέον να εκτελούν υπολογισμούς που οι ισχυρότεροι συμβατικοί υπερυπολογιστές αδυνατούν να ολοκληρώσουν σε εύλογο χρόνο.
Πρόκειται για ένα σημαντικό ορόσημο στην εξέλιξη της κβαντικής πληροφορικής καθώς τα πειράματα δείχνουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να επιλύουν χρήσιμα επιστημονικά προβλήματα όπως η προσομοίωση χημικών αντιδράσεων μέσα σε λίγα λεπτά. Αντίθετα ένας σύγχρονος υπερυπολογιστής θα χρειαζόταν χρόνια για να ολοκληρώσει τους ίδιους υπολογισμούς.
Σε ανακοίνωσή της η IBM υποστήριξε ότι τα αποτελέσματα αποδεικνύουν πως οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να παρέχουν αξιόπιστες λύσεις με μεγαλύτερη ταχύτητα χαμηλότερο κόστος ή υψηλότερη ακρίβεια σε σχέση με οποιαδήποτε κλασική υπολογιστική μέθοδο.
Τα πειράματα
Κατά τη διάρκεια συνέντευξης εκπρόσωποι της IBM, της Algorithmiq, της Qedma και του Πανεπιστημίου του Σικάγο παρουσίασαν τρία ανεξάρτητα πειράματα που κατέδειξαν το κβαντικό πλεονέκτημα σε διαφορετικά επιστημονικά προβλήματα. Οι τρεις μελέτες αξιοποίησαν τον υπεραγώγιμο κβαντικό υπολογιστή IBM Quantum Heron R3 σε συνδυασμό με νέες τεχνικές περιορισμού των σφαλμάτων, ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια στην ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής.
Το πρώτο πείραμα, που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με την εταιρεία Qedma, μελέτησε το μοντέλο Floquet transverse-field Ising, το οποίο χρησιμοποιείται από τους φυσικούς για να περιγράψουν τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι μαγνητικές ιδιότητες ενός υλικού όταν αυτό δέχεται περιοδικούς εξωτερικούς παλμούς.
Το συγκεκριμένο πρόβλημα θεωρείται εξαιρετικά δύσκολο για τους συμβατικούς υπολογιστές, καθώς η πολυπλοκότητα των υπολογισμών αυξάνεται εκθετικά όσο μεγαλώνει το μέγεθος του συστήματος.
Οι κβαντικοί υπολογιστές, αντίθετα, αξιοποιούν τις ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής όπου τα κβαντικά bits (qubits) μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα στις καταστάσεις 0 και 1 μέσω της υπέρθεσης επιτρέποντας την παράλληλη εκτέλεση πολύπλοκων υπολογισμών.
Για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε ο υπερυπολογιστής Fugaku της Ιαπωνίας, ένας από τους ισχυρότερους στον κόσμο. Οι ερευνητές εξήγησαν ότι μέχρι ένα ορισμένο επίπεδο πολυπλοκότητας τα αποτελέσματα των δύο συστημάτων μπορούσαν να συγκριθούν άμεσα. Όταν όμως ο συμβατικός υπερυπολογιστής έφτασε στα όριά του, ο κβαντικός υπολογιστής συνέχισε να εκτελεί τους υπολογισμούς.
Η αξιοπιστία
Το βασικό ερώτημα, ωστόσο δεν ήταν μόνο η ταχύτητα αλλά και η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. «Θέλεις να πραγματοποιήσεις υπολογισμούς που ξεπερνούν τις δυνατότητες των κλασικών υπολογιστών. Όμως για χρόνια βασιζόσουν στα αποτελέσματα των συμβατικών συστημάτων. Όταν πλέον τα ξεπερνάς πώς γνωρίζεις ότι η απάντηση που πήρες είναι σωστή;» δήλωσε ο Άμπχιναβ Καντάλα κύριος ερευνητής της IBM.
Για να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το λογισμικό QESEM της Qedma το οποίο περιορίζει και διορθώνει τα σφάλματα που προκαλεί ο θόρυβος στα κβαντικά συστήματα. Αφού επιβεβαίωσαν ότι τα αποτελέσματα συμφωνούσαν με εκείνα του Fugaku στις περιπτώσεις όπου αυτό ήταν εφικτό, αύξησαν την πολυπλοκότητα του προβλήματος μέχρι το σημείο όπου ο υπερυπολογιστής δεν μπορούσε πλέον να ανταποκριθεί. Στη συνέχεια επανέλαβαν τους ίδιους υπολογισμούς σε πολλούς διαφορετικούς κβαντικούς υπολογιστές.
Σύμφωνα με τον Καντάλα το ίδιο κύκλωμα εκτελέστηκε σε πέντε διαφορετικά κβαντικά συστήματα μεταξύ των οποίων δύο της IBM στις εγκαταστάσεις της στη Βοστώνη και το Πίτσμπουργκ καθώς και δύο υπολογιστές της Quantinuum. Οι ερευνητές μάλιστα εισήγαγαν σκόπιμα διαφορετικά επίπεδα τεχνητού θορύβου σε κάθε σύστημα ώστε να δοκιμάσουν την αποτελεσματικότητα των τεχνικών διόρθωσης σφαλμάτων.
Παρά τις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας όλα τα συστήματα παρήγαγαν συνεπή και σχεδόν ταυτόσημα αποτελέσματα. Στο δεύτερο πείραμα η IBM και η Algorithmiq χρησιμοποίησαν επίσης το μοντέλο Floquet transverse-field Ising, εφαρμόζοντας όμως διαφορετική μέθοδο αντιμετώπισης των σφαλμάτων.
Καθώς οι υπολογισμοί γίνονταν ολοένα πιο σύνθετοι, οι συμβατικοί υπολογιστές άρχισαν να εμφανίζουν αποκλίσεις στα αποτελέσματα, ενώ οι κβαντικοί διατηρούσαν τη συνέπειά τους, επιβεβαιώνοντας ότι μπορούσαν να παράγουν επαληθεύσιμες λύσεις ακόμη και σε εξαιρετικά απαιτητικά προβλήματα.
Η άλλη προσέγγιση
Το τρίτο πείραμα που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Σικάγο ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση. Οι επιστήμονες δημιούργησαν αρχικά ένα κύκλωμα βασισμένο στις λεγόμενες πύλες Clifford, οι οποίες είναι σχετικά εύκολες να προσομοιωθούν από έναν συμβατικό υπολογιστή. Στη συνέχεια πρόσθεσαν σταδιακά πιο πολύπλοκες πύλες τύπου T αυξάνοντας σημαντικά τη δυσκολία του προβλήματος.
Με αυτή τη μέθοδο κατάφεραν να διασφαλίσουν ότι οι υπολογισμοί παρέμεναν αξιόπιστοι ακόμη και σε επίπεδα πολυπλοκότητας που κανένας σημερινός υπερυπολογιστής δεν μπορεί να διαχειριστεί. Παρά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα, οι ίδιοι οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι η συζήτηση δεν έχει κλείσει.
Τα τελευταία χρόνια αρκετές ερευνητικές ομάδες έχουν ανακοινώσει επιτεύγματα όπως «κβαντική υπεροχή» (quantum supremacy), «κβαντική χρησιμότητα» (quantum utility) ή «κβαντικό πλεονέκτημα» (quantum advantage), όμως πολλές από αυτές τις επιδόσεις αμφισβητήθηκαν αργότερα όταν αναπτύχθηκαν νέοι αλγόριθμοι που βελτίωσαν σημαντικά τις δυνατότητες των συμβατικών υπολογιστών.
Η IBM εκτιμά ότι κάτι αντίστοιχο θα συμβεί και αυτή τη φορά, θεωρώντας ωστόσο πως αυτή η διαδικασία αποτελεί φυσικό μέρος της επιστημονικής προόδου. «Η αντιπαράθεση ανάμεσα στις κλασικές και τις κβαντικές μεθόδους θα συνεχιστεί, και έτσι πρέπει να γίνει. Έτσι εξελίσσεται η επιστήμη» δήλωσε ο Καντάλα.
Όπως πρόσθεσε γι’ αυτό δημιουργήθηκε και το Quantum Advantage Tracker ένα σύστημα αξιολόγησης που επιτρέπει στους ερευνητές να μετρούν αντικειμενικά πότε ένας κβαντικός υπολογιστής ξεπερνά πραγματικά τις δυνατότητες των καλύτερων συμβατικών συστημάτων.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η δημοσίευση των νέων εργασιών θα οδηγήσει περισσότερους επιστήμονες να εξετάσουν τα αποτελέσματα και να επιχειρήσουν να τα επιβεβαιώσουν ή να τα αμφισβητήσουν συμβάλλοντας έτσι στην περαιτέρω εξέλιξη της κβαντικής υπολογιστικής.
