Google a NASA dosahují kvantové nadvlády

Foto: Constant Loubier/Unsplash

Google ve spolupráci s NASA a Oak Ridge National Laboratory prokázal schopnost vypočítat během několika sekund to, co by i těm největším a nejpokročilejším superpočítačům trvalo tisíce let. Čímž dosáhli milníku známého jako kvantová nadvláda. „Kvantová výpočetní technika je stále v plenkách, ale tento transformační úspěch nás raketově posouvá vpřed,“ řekl Eugene Tu, ředitel centra Ames Research Center NASA v kalifornském Silicon Valley. „Naše mise v příštích desetiletích na Měsíc, Mars a dále jsou poháněny inovacemi, jako je tato.“ Informuje NASA.

Quantum computing je studie o tom, jak využít jedinečné vlastnosti kvantové mechaniky k vyřešení určitých typů problémů mnohem rychleji než na tradičních počítačích. Potenciálně by NASA mohla jednoho dne použít tyto techniky k podpoře vesmírných misí, přičemž kvantová optimalizace zefektivní plány misí a kvantová simulace podpoří návrh lehkých a robustních materiálů pro moderní kosmické lodě – abychom jmenovali alespoň některé aplikace. Tento milník je prvním krokem k této budoucnosti.

„Dosažení kvantové nadvlády znamená, že jsme byli schopni udělat jednu věc rychleji, ne všechno rychleji,“ řekla Eleanor Rieffel, spoluautorka článku o tomto výsledku, který byl dnes zveřejněn v Nature,  a vedoucí laboratoře Quantum Artificial Intelligence v Ames. „A i když tato jedna věc není příliš užitečná, to, že byla vůbec provedena, je přelomové.“

Článek popisuje experimenty prováděné kvantovým procesorem Sycamore společnosti Google k prokázání kvantové nadřazenosti. Výpočty na kvantovém počítači se nazývají „kvantové obvody“. Tyto abstrakce počítačové vědy fungují jako programy a určují řadu operací, které má kvantový procesor spustit.

Samotný test zahrnoval spuštění náhodných kvantových obvodů na kvantových procesorech i na tradičních superpočítačích. Získání výsledků z náhodného kvantového obvodu je obtížné bez kvantového procesoru a teorie naznačuje, že to může být nemožné pro úlohy přesahující určitou velikost, dokonce i na největším představitelném superpočítači. Potřebovali byste více jednotek dat, než kolik je atomů ve vesmíru. To je tak blízko, jak se můžete dostat k nemožnému úkolu – což z něj činí dokonalý test kvantové nadvlády.

Jak kvantový procesor, tak superpočítač dostaly stále složitější a náhodné obvody k výpočtu, dokud je superpočítač nebyl schopen zpracovat. Aby vědci z Ames našli tento limit, pokročili techniky pro simulaci těchto náhodných výpočtů kvantových obvodů pomocí superpočítačových zařízení NASA. V určitém okamžiku, i přes všechny triky, které na to odborníci na kvantové výpočty a superpočítače NASA vrhli, tento simulovaný „počítač v počítači“ nebyl schopen zvládnout náhodné obvody, které mu byly přiděleny – a to se stalo laťkou nastavenou pro kvantové počítač porazit.

Foto: G/Unsplash

V této spolupráci s Googlem byl také použit Electra, výkonný modulární superpočítač NASA. Jedná se o petascale superpočítač, který ročně ušetří značné množství vody a energie.Poděkování: NASA/Ames Research Center/Dominic Hart

Kvantový počítač Google dokázal vzít tyto náhodné obvody a získat výsledky, čímž dosáhl tohoto měřítka. Ale jak mohl někdo vědět, zda je tento výstup správný a zda bylo skutečně dosaženo kvantové převahy? Je nemožné použít tradiční superpočítač ke kontrole matematiky – celý smysl tohoto milníku spočívá v tom, že kvantový procesor dokázal něco, co žádný jiný stroj nedokáže.

Aby se zajistilo, že tento milník byl skutečně splněn, obrátily se NASA a Google na Oak Ridge National Laboratory v Oak Ridge, Tennessee, kde sídlí Summit, nejvýkonnější superpočítač na světě. Tam testovali, zda se výsledky kvantového počítače shodují s výsledky Summitu až po limit kvantové nadřazenosti – a zjistili, že ano.

„Od roku 2013 naše spolupráce s Google pracovala na dalším demystifikaci možností výpočetní techniky v kvantovém světě,“ řekl Rupak Biswas, ředitel Exploration Technology Directorate ve společnosti Ames a spoluautor článku. „Dnešní dosažení kvantové nadvlády je vzrušujícím milníkem, na který je Ames velmi hrdý.“

Rozuzlení kvantového světa

„Kvantum“ je minimální množství jakékoli fyzické věci potřebné k interakci s něčím jiným, obvykle se odkazuje na nejmenší jednotky energie nebo hmoty. Kvantový svět je pro nás neviditelná zvláštní a krásná část přírody. I kdybyste se mohli zmenšit daleko za velikost mravence až na subatomární velikosti, samotný akt pozorování něčeho v kvantovém měřítku změní jeho chování. Navzdory tomu, jak neuchopitelné může být pozorování, je matematika za tím, jak kvantová mechanika funguje, dobře srozumitelná a konzistentní, i když nerozumíme proč.

Díky této konzistenci mohou počítačoví vědci, fyzici a inženýři vytvářet počítače navržené k využití těchto jedinečných vlastností. Něco, čemu se říká kvantová superpozice, umožňuje jedinému qubitu – jednotce dat v kvantovém počítači – existovat jako různé veličiny současně. Kvantové provázání je další vlastností, která neoddělitelně spojuje dvě částice, bez ohledu na vzdálenost, a poskytuje korelace, které ve světě klasické mechaniky nelze najít. Je to, jako by obě částice tančily synchronně, ať už jsou spojeny v kyčli nebo ve vzdálenosti světelných let. Kvantové počítače mohou tyto korelace používat k ukládání, přenosu a výpočtu informací způsoby, které jsou na tradičních počítačích nemožné.

Dosažení kvantové nadvlády otevírá možnost experimentovat a vyvíjet technologii kvantového zpracování daleko rychleji ve všech oblastech – především díky bezprecedentnímu stupni kontroly nad kvantovými operacemi, který je možný v hardwaru Google.

Dosažení kvantové nadvlády znamená, že nyní existuje výpočetní výkon a kontrolní mechanismy, aby vědci mohli s důvěrou spouštět svůj kód a sledovat, co se děje za hranicemi toho, co by bylo možné udělat na superpočítačích. Experimentování s kvantovým počítáním je nyní možné způsobem, který nikdy předtím nebyl.

„Když jsem v roce 1996 vstoupil do tohoto oboru, nebyl jsem si jistý, zda budu naživu, než se dostaneme do tohoto bodu,“ řekl Rieffel. „Nyní si můžeme pohrát s kvantovými algoritmy, které jsme dříve nemohli spustit.“ V kvantovém počítání jsou všechny tyto neznámé a je prostě neuvěřitelně vzrušující vstoupit do éry, kde můžeme tyto neznámé prozkoumat a vidět, co najdeme.“

Zdroj: NASA