Kvantový počítačový „detektor lži“ konečně dokazuje, že tyto stroje využívají Einsteinovu strašidelnou akci na dálku, místo aby ji jen předstíraly
Výzkumníci vyvinuli experimentální metodu pro určení, zda funkce prováděné kvantovým počítačem jsou výsledkem kvantové mechaniky – nebo jen chytrým obratem v klasické fyzice.
V přelomové studii zveřejněno 22. dubna 2025 v deníku Fyzický přehled Xvýzkumníci popisují experimentální test, který demonstruje a potvrzuje výpočetní aktivitu, které lze dosáhnout pouze pomocí kvantové mechaniky.
Vědci toho dosáhli vytvořením programovatelného 73-qubitového „honey-comb“ kolik procesoru a jeho trénink pomocí hybridní kvantově-klasické techniky zvané Variační kvantový obvod (VQC). Toto je smyčka strojového učení, kde klasický počítač iterativně pomáhá kvantovému počítači provést úkol s větší přesností.
V tomto případě bylo úkolem počítače dosáhnout tak nízkého energetického stavu, aby toho nebylo možné dosáhnout klasickou fyzikou. Potvrzením tohoto energetického stavu vědci prokázali kvantovou mechaniku.
Využití zákonů kvantové mechaniky
Jedním z konečných cílů kvantových počítačů je posunout hranice toho, co počítače dokážou, nad rámec toho, co dovolují zákony klasické fyziky. Binární počítače, jako jsou naše telefony, notebooky, počítače, servery a superpočítače jsou omezeny základními zákony klasické fyziky.
Bity v klasickém počítání používají 1s a 0s k provádění složitých výpočtů, ale mohou zpracovávat výpočty pouze v sekvenci. V konečném důsledku existuje limit toho, co mohou dosáhnout v přijatelném čase.
Kvantové počítače na druhé straně používají qubity – kvantový ekvivalent klasického bitu – k proniknutí do podivných zákonů kvantové mechaniky, jako je např. kvantové zapletenípro paralelní provádění složitých výpočtů. Kde stav bitu může být reprezentován buď jako zapnutý nebo vypnutý (s 1 nebo 0), qubit zaujímá superpozici obou stavů zapnuto a vypnuto (což znamená, že to může být buď stav nebo jakákoli kombinace stavů), dokud není změřen.
Kvantové zapletení nastane, když se dva qubity stanou korelovanými na vzdálenost. Měření stavu jednoho odhalí stavy všech souvisejících zapletených qubitů. Podle zákonů klasické fyziky by to bylo podobné házení mincí v Londýně k určení výsledků simultánního hodu v New Yorku. Jak se do systému přidává více zapletených qubitů, výpočetní prostor roste exponenciálně.
Při dostatečné velikosti se teoretický výpočetní prostor pro kvantový počítač stává pro binární počítačový systém matematicky neovladatelným – to je popisováno jako „kvantová výhoda“ nebo „kvantová nadvláda.“
Zatímco kvantové jevy lze demonstrovat pomocí experimentů jako např experiment s dvojitou štěrbinouOsvědčení, že multi-qubitový systém skutečně využívá kvantovou mechaniku, je výzvou. S rostoucím počtem qubitů v kvantovém systému se to také stává exponenciálně obtížnějším.
Bell test a strašidelná akce na dálku
Fyzikové jako Albert Einstein ano dlouho uvažováno práh, při kterém kvantové jevy porušují zákony newtonovské fyziky. V podstatě se problém scvrkává na to, zda neexistuje klasické vysvětlení pro kvantovou operaci, nebo zda jsme jen žádné nenašli.
Když se například objevilo zapletení, Einstein to skvěle nazval „strašidelnou akcí na dálku“. Jeho světonázor, založený na lokálním realismu, trval na tom, že objekty jsou ovlivněny pouze jejich bezprostředním okolím (lokality) a že jejich vlastnosti definitivně existují dříve, než je změříme (realismus).
Zapletení tuto relativitu narušuje. Když se dvě částice zapletou, existují ve stavu nelokality. Aby to dokázali, vědci provádějí a Zvonový testpojmenovaný po irském fyzikovi Johnu Stewartovi Bellovi. To zahrnuje měření zapletených částic několika, náhodně zvolenými způsoby a kontrolu statistických výsledků.
Pokud jsou korelace mezi naměřenými výsledky silnější, než by kdy mohla připustit jakákoli klasická teorie – limit známý jako Bellova nerovnost – pak se říká, že systém není lokální.
To dokazuje, že „strašidelná akce na dálku“ je skutečná a není jen výsledkem náhody, matematického triku nebo klasické simulace.
Simulace hrubou silou
Jednou z hlavních překážek při určování, zda jsou kvantové výpočty skutečně kvantové povahy, je skutečnost, že klasické počítače mohou do určitého bodu simulovat kvantové stavy pomocí matematiky hrubé síly. Díky tomu je těžké přesně určit, co se dělo „pod kapotou“.
Protože žádná červená vlajka ani siréna nenaznačují, že fyzikální zákony byly při provádění kvantové operace porušeny, vědci musí najít způsoby, jak demonstrovat základní kvantovou mechaniku, která za nimi stojí.
Aby toho vědci dosáhli, provedli experiment pomocí 73-qubitového kvantového počítače tak, že jej nastavili na nejnižší možný energetický stav a poté změřili energii v systému.
V klasické fyzice je nejnižším základním stavem, kterého lze dosáhnout, nula. Míč kutálející se z kopce má vysoký, vzrušený energetický stav. Ve stavu s nejnižší energií, ve svém základním stavu, je míč v klidu bez energie.
Stejná koule, fungující podle zákonů kvantové mechaniky, by však mohla mít energetický stav nižší než nula. To je možné prostřednictvím zapletení. Pokud je jedna koule zapletena s jinou koulí a obě jsou korelovány prostřednictvím funkčně diametrálních energetických stavů, jedna nebo obě mohou být uvedeny do stavu záporné energie.
Protože to podle zákonů klasické fyziky není možné, potvrzení tohoto negativního stavu je podle definice potvrzením, že fyzika pohánějící systém je skutečně kvantová.
Potvrzeným výsledkem byla energie tak nízká, že klesla pod absolutní minimální energetickou hladinu, kterou by kdy klasický systém mohl mít, na 48 standardních odchylek.
Vědci potvrdili tyto nelokální korelace ve skupinách až 24 qubitů v rámci většího systému, což je nejvíce, jaké kdy bylo tímto způsobem certifikováno najednou, napsali vědci ve studii.
Tato práce zakládá průkopnickou metodu pro ověřování kvantové aktivity, dodali.
S dalším vývojem by tyto techniky mohly pomoci inženýrům certifikovat výkon v různých kvantových architekturách, pochopit, kdy se kvantové stavy „rozlučují“ do klasických, a poskytnout základ pro stavbu ještě větších a výkonnějších kvantových počítačů.
