Google tvrdil, že jeho kvantový procesor Willow dosáhl první „ověřitelné“ kvantové výhody – technologického měřítka, které znamená, že kvantový počítač může v praxi překonat klasický počítač.
„Tento průlom je významným krokem k první reálné aplikaci kvantových počítačů a jsme nadšeni, že uvidíme, kam povede,“ napsal na X.com generální ředitel Google Sundar Pichai.
Oznámení bylo doplněno otevřeným papírem v Příroda ve kterém tým Google Quantum AI a Collaborators popsal jeho nastavení a zjištění. Jádrem úsilí je speciální druh kvantového měření nazývaný korelátor out-of-time-order (OTOC). Měření ukazuje, jak se informace šíří a zašifrují uvnitř kvantového systému. Je to jako spustit film systému dopředu a dozadu, abyste viděli, jak moc si konečný stav „pamatuje“ začátek. Pokud si toho hodně pamatuje, je systém uspořádaný; pokud se rychle zapomene, je to chaotické.
„Willow spustila algoritmus – který jsme nazvali Quantum Echoes – 13 000x rychleji než nejlepší klasický algoritmus na jednom z nejrychlejších superpočítačů světa,“ napsal pan Pichai ve svém příspěvku na X.com. „Tento nový algoritmus může vysvětlit interakce mezi atomy v molekule pomocí nukleární magnetické rezonance, čímž dláždí cestu k potenciálnímu budoucímu využití při objevování léků a materiálové vědě.“
„A výsledek je ověřitelný, což znamená, že jeho výsledek může být opakován jinými kvantovými počítači nebo potvrzen experimenty.“
Dvousečný meč
Představte si, že vezmete nový balíček karet, dokonale seřazený podle barvy a čísla. Jednou to zamícháš. Objednávka je narušena, ale pravděpodobně byste na to mohli znovu přijít. A teď si představte, že to stokrát zamícháte. Karty jsou nyní ve zcela náhodném, chaotickém stavu. Tento proces je hodně podobný tomu, co se děje s informacemi ve složitých kvantových systémech.
Kvantový systém se skládá z mnoha malých částic, jako jsou elektrony nebo fotony, které na sebe vzájemně působí podle specifického souboru pravidel. Jak se vzájemně ovlivňují, zapletou se, zvláštní kvantové spojení, kde je osud jedné částice okamžitě spojen s osudem jiné, bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe.
V systému s mnoha částicemi se tato síť zapletení rychle stává neuvěřitelně složitou. Jakákoli informace, se kterou začnete – řekněme stav jedné částice – se rozprostře a zakóduje v celém systému. Již po krátké době se systém stává tím, co vědci nazývají ergodickým nebo chaotickým. To vytváří velký problém pro fyziky, kteří chtějí tyto systémy studovat. Pokud se pokusíte změřit vlastnost systému, výsledkem je obvykle pouze šum. Původní informace jsou tak důkladně promíchané, že již nevidíte podrobnosti o základním procesu. Je to jako snažit se pochopit pravidla karetní hry pohledem na tisíckrát zamíchaný balíček. Jediné, co můžete říct, je, že je to nepořádek.
Díky tomuto efektu je téměř nemožné dozvědět se o základních pravidlech, kterými se řídí chování kvantového systému. Právě ty věci, které dělají kvantové systémy tak mocnými a zajímavými – jejich složitost a propletenost – je také neuvěřitelně ztěžují pochopení. Ústřední výzvou pro vědce je tedy najít způsob, jak přehlédnout chaos, jak nějakým způsobem „dešifrovat“ informace a nahlédnout do pravidel, kterými se show řídí. To byl hlavní cíl kvantové fyziky: je to klíč jak k pochopení vesmíru na jeho nejzákladnější úrovni, tak k vybudování výkonných kvantových počítačů.
K vyřešení tohoto problému tým Google Quantum AI a Collaborators zkoumá novou techniku: OTOC. Základní myšlenkou je nechat kvantovou informaci rozprostřít a promíchat, pak dát systému přesné „nakopnutí“ a nakonec spustit celý proces pozpátku. Informace se poté vrátí tam, kde začala. Kvůli kopanci, kterou dostal uprostřed, se vracející informace mírně liší od toho, jak to začalo. Porovnáním této „ozvěny“ s originálem se vědci mohou dozvědět překvapivé množství informací o cestě, kterou informace urazily, a pravidlech, která ji řídila.
Vědci se domnívali, že vytvořením ještě složitějších ozvěn, tedy vícenásobným spuštěním procesu obrácení času, mohou odhalit skrytá kvantová spojení, která žádná jiná metoda odhalit nedokázala.
Stavba kvantového „stroje času“
K otestování svého nápadu vědci použili Willow od Googlu, výkonný supravodivý kvantový procesor. Toto zařízení jim umožnilo přesně řídit interakce mnoha kvantových bitů neboli qubitů, které jsou základními stavebními kameny kvantového počítače. Jejich hlavním experimentem bylo vybudovat vysoce chaotický kvantový systém a použít echo trik k jeho studiu. Konkrétní měření, které použili, se nazývá OTOC druhého řádu, které zahrnovalo ponechání informací, aby provedly dva úplné „okrouhlé cesty“ v čase: vpřed, vzad, vpřed a znovu vzad.
Nejdůležitější částí jejich metody byl test, který měl prokázat, že to, co viděli, byl skutečný kvantový jev zvaný interference.
V kvantovém světě se částice chovají jako vlny. Někdy se tyto vlny mohou sčítat a vytvořit větší vlnu (konstruktivní interference) a někdy se mohou navzájem vyrušit (destruktivní interference). Aby zjistili, zda se to děje, v polovině experimentu vědci vložili náhodné operace, které účinně rozhýbaly fázi každé kvantové vlny. Pokud by konečný výsledek, který měřili, byl jen jednoduchým součtem pravděpodobností, jako je sčítání čísel, tyto náhodné chvění by se zrušily a neměly by žádný účinek. Ale pokud by výsledek závisel na tom, že se vlny sčítají specifickým, koordinovaným způsobem, pak by jejich kývání úplně zkazilo konečný vzor.
Tento test byl navržen tak, aby dokázal, že signál OTOC byl vytvořen z kvantové interference.
Vidět skrytý signál
Podle výsledků týmu zveřejněných v Přírodaexperiment byl úspěšný. Za prvé, výzkumníci potvrdili, že jejich trik s echo fungoval podle očekávání. Zjistili, že signál OTOC zůstal silný a plný informací o specifických pravidlech systému ještě dlouho poté, co standardní měření přešla do nesmyslného šumu. Bylo jasné, že OTOC úspěšně „rozšifroval“ informace z chaosu.
Větší objev však přinesl interferenční test. Když tým v polovině procesu rozhýbal kvantové vlny, konečné měření OTOC druhého řádu se dramaticky změnilo. To byl nezvratný důkaz, že signál byl výsledkem konstruktivní interference. Mnoho různých cest, kterými se kvantové informace během své cesty ubíraly, nebyly jen náhodně sčítány: kombinovaly se přesným kvantovým způsobem, aby vytvořily mnohem silnější signál.
Bylo to jako zjistit, že mnoho různých vlnek v jezírku se všechny setkává na jednom přesném místě ve stejnou dobu, aby vytvořily jedinou, překvapivě velkou vlnu.
Tato velká vlna byla skrytou vrstvou kvantové reality – podpisem toho, jak základní stavební kameny systému interagovaly na velké vzdálenosti v čase a prostoru. Vědcům se nejen podařilo tento skrytý signál vidět, ale také ukázali, že to byla hlavní věc, kterou měřili, přímé pozorování komplexního kvantového efektu mnoha těl, který není možné vidět bez jejich speciální techniky obrácení času.
Kvantová výhoda
Proklamovaný výsledek má významné důsledky pro budoucnost kvantového počítání. První je, že pokud je ověřeno, vytyčí jasnější hranici mezi tím, co umí běžné počítače, a tím, co dokážou kvantové počítače. Stejná kvantová interference, která dělá z OTOC tak výkonné měření, také neuvěřitelně ztěžuje výpočet klasickému počítači.
Pro běžný počítač by pokus o simulaci tohoto procesu byl výpočetní katastrofou. Bude muset sledovat biliony vln, které se přidávají a ruší, přičemž i malá chyba v kterékoli z nich může zničit celý výpočet. Vědci odhadli, že klasická simulace jejich největšího experimentu na 65 qubitech by jednomu z nejrychlejších superpočítačů na světě zabrala více než tři roky. Jejich kvantový procesor dostal odpověď během několika hodin.
Studie má i praktické využití. Tým ukázal, jak lze jejich test použít pro proces zvaný Hamiltonovské učení. Protože signál OTOC je jako jedinečný otisk knihy pravidel kvantového systému (tj. jeho hamiltonián), lze jej použít ke zjištění, jaká tato pravidla jsou. Změřením OTOC ze skutečného fyzického systému a jeho porovnáním se simulací běžící na jejich kvantovém počítači mohli vědci upravit pravidla ve své simulaci, dokud se otisky prstů dokonale neshodovaly.
Tým se tak mohl „dozvědět“ skrytý detail o základních vlastnostech systému. To by mohlo výzkumníkům umožnit objevit vlastnosti nových materiálů nebo pochopit složité chemické reakce způsobem, který dříve nebyl možný.
