Vysvetlenie: Čo je kvantová nadradenosť?

Kvantová nadradenosť je míľnikom, ktorý sa v počítačoch dlho hľadal a Google teraz oznámil, že ho dosiahol. Pohľad na vedu za týmto konceptom a na to, čo sa skutočne dosiahlo a koľko zostáva.

Súčasť kvantového počítača Google v laboratóriu Santa Barbara, Kalifornia, USA. (Foto cez Reuters)

Tento týždeň Google oznámil, že dosiahol prelom tzv kvantová prevaha vo výpočtovej technike. Čo to znamená a prečo je to dôležité?

Čo je teda kvantová nadradenosť?

Ide o termín navrhnutý v roku 2012 Johnom Preskillom, profesorom teoretickej fyziky na Kalifornskom technologickom inštitúte. Opisuje bod, v ktorom kvantové počítače dokážu robiť veci, ktoré klasické počítače nedokážu. V prípade spoločnosti Google výskumníci z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare tvrdili, že vyvinuli procesor, ktorému trvalo 200 sekúnd, kým vykonal výpočet, ktorý by klasickému počítaču trval 10 000 rokov.

Ale čo je kvantový počítač?

Naše tradičné počítače fungujú na základe zákonov klasickej fyziky, konkrétne s využitím toku elektriny. Kvantový počítač sa na druhej strane snaží využiť zákony, ktoré riadia správanie atómov a subatomárnych častíc. V takom malom meradle prestávajú platiť mnohé zákony klasickej fyziky a do hry vstupujú jedinečné zákony kvantovej fyziky.

Vyvinúť takýto počítač je cieľom vedcov už takmer štyri desaťročia. V roku 1981 fyzik Richard Feynman napísal: Pokúsiť sa nájsť počítačovú simuláciu fyziky sa mi zdá byť vynikajúcim programom, ktorý treba nasledovať... Príroda nie je klasická... a ak chcete urobiť simuláciu prírody, radšej urobte to kvantovo mechanicky a je to úžasný problém, pretože to nevyzerá tak jednoducho.

Aký rozdiel by mala takáto simulácia?

Ide o rýchlosť spracovania. Pozrime sa, ako klasický počítač spracováva informácie. Bity informácií sú uložené ako 0 alebo 1. Každý reťazec takýchto číslic (bitové reťazce) predstavuje jedinečný znak alebo inštrukciu; napríklad 01100001 predstavuje malé písmeno a.

V kvantovom počítači sú informácie uložené v kvantových bitoch alebo qubitoch. A qubit môže byť súčasne 0 aj 1. Kvantová fyzika zahŕňa koncepty, ktoré dokonca fyzici označujú za zvláštne. Na rozdiel od klasickej fyziky, v ktorej môže objekt existovať na jednom mieste v rovnakom čase, kvantová fyzika sa pozerá na pravdepodobnosť, že objekt je v rôznych bodoch. Existencia vo viacerých stavoch sa nazýva superpozícia a vzťahy medzi týmito stavmi sa nazývajú zapletenie.

Čím vyšší je počet qubitov, tým väčšie množstvo informácií je v nich uložených. V porovnaní s informáciami uloženými v rovnakom počte bitov, informácie v qubitoch stúpajú exponenciálne. To je to, čo robí kvantový počítač tak výkonným. A napriek tomu, ako napísal Caltech's Preskill v roku 2012, budovanie spoľahlivého kvantového hardvéru je náročné kvôli ťažkostiam s presným riadením kvantových systémov.

Sundar Pichai s jedným z kvantových počítačov Google v laboratóriu Santa Barbara, Kalifornia, USA. (Foto cez Reuters)

Je to to, čo Google dosiahol?

Vedci ukázali, čoho je kvantový počítač schopný. Vytvorili architektúru 54 qubitov pomocou Sycamore, kvantového počítača Google. Zatiaľ čo jeden z nich nefungoval, ostatných 53 qubitov bolo zapletených do stavu superpozície.

Tím zostavil náhodnú sekvenciu asi 1000 operácií. Zakaždým, keď potom spustili tento náhodný algoritmus, kvantový počítač vytvoril bitový reťazec.

Teraz sú niektoré bitstringy pravdepodobnejšie ako iné a je možné identifikovať, ktoré sú pravdepodobnejšie. Čím je však náhodný kvantový obvod zložitejší, tým je pre klasický počítač ťažšie identifikovať pravdepodobnejšie bitstringy – a obtiažnosť rástla exponenciálne. Nadradenosť bola dosiahnutá, keď preukázali, že kvantovému procesoru trvalo len 200 sekúnd, kým vypočítal super komplexný náhodný algoritmus, zatiaľ čo najrýchlejšiemu superpočítaču by to trvalo 10 000 rokov, uviedol Google v e-maile.

Prečítajte si tiež | Kvantová nadradenosť vo výpočtovej technike: Test bol vykonaný, použitie v reálnom svete je ďaleko

Takže, na čo je to dobré?

Žiadne, pokiaľ ide o praktické aplikácie. Vykonaná úloha nie je pre tento míľnik mimoriadne dôležitá; je to oveľa viac o skutočnosti, že míľnik sa stal na prvom mieste, uviedol e-mail od spoločnosti Google. Ako analógiu uviedol bratov Wrightovcov: Aby dokázali, že letectvo je možné, nezáležalo ani tak na tom, kam lietadlo mierilo, kde vzlietlo a pristálo, ale na tom, či bolo vôbec schopné lietať.

Sú všetci presvedčení?

IBM spochybnila tvrdenie spoločnosti Google, že jej kvantový výpočet nemožno vykonať pomocou tradičného počítača. V blogovom príspevku IBM tvrdilo, že výpočet, ktorý opísali výskumníci Google, by mohol existujúci počítač dosiahnuť za menej ako dva a pol dňa, nie za 10 000 rokov.

Mimochodom, samotná IBM vo štvrtok vyhlásila prelom v oblasti kvantových výpočtov. Jej výskumníci urobili prelom v riadení kvantového správania jednotlivých atómov a ukázali všestranný nový stavebný blok pre kvantové výpočty, uviedla spoločnosť IBM na svojej webovej stránke. Článok je publikovaný v časopise Science. Výskum Google sa objavuje v Nature.

Nenechajte si ujsť Vysvetlené | Dushyant Chautala: Tento 31-ročný „buddha“ je starší ako svoj vek a spája sa s každým

Čo ďalej?

Vedci sa snažia zlepšiť svoju prácu vrátane zisťovania a odstraňovania chýb. Kalifornská univerzita v Santa Barbare poznamenala, že výskum už dosiahol veľmi reálny nástroj na generovanie náhodných čísel. Náhodné čísla môžu byť užitočné v rôznych oblastiach – vrátane ochrany zašifrovaných kľúčov na dešifrovanie, čo môže byť pre vlády potenciálne chúlostivý problém.

Kvantové počítače by jedného dňa mohli viesť k obrovskému pokroku vo vedeckom výskume a technológii. Medzi oblasti, ktoré môžu získať, patrí umelá inteligencia a nové liekové terapie. To všetko je však ešte ďaleko.

Zdieľajte So Svojimi Priateľmi: