Dosavadní příběh: Ve dvou článcích publikovaných v Příroda 22. října vědci z Google, MIT, Stanford a Caltech oznámili to, co nazývali ověřitelným projevem kvantové výhody pomocí Kvantový procesor Willow. To znamená, že týmy uvedly, že prokázaly, že Willow jasně překonává stávající superpočítače při řešení konkrétního problému.
Jak funguje kvantový počítač?
Představte si vlny pohybující se v jezírku. Když se setkají dva hřebeny vln, spojí se a vytvoří větší vlnu. Když se hřeben setká s korytem, vzájemně se zruší. Tomu se říká interference. Na kvantové úrovni se částice mohou chovat jako vlny a jejich „vlnové funkce“, které popisují jejich pravděpodobnosti, se mohou vzájemně rušit. Kontrolou tohoto rušení mohou vědci zesílit pravděpodobnost nalezení správné odpovědi na problém a zároveň odstranit ty špatné. To je to, co a stejně jako počítač dělá.
V jedné ze dvou nových studií vědci představili kvantový algoritmus určený k řešení optimalizačních problémů, což jsou hádanky, jejichž cílem je najít mezi mnoha nejlepšími možnými řešeními. Výzkumný tým to nazval Decoded Quantum Interferometry (DQI).
DQI používá kvantovou verzi Fourierovy transformace k manipulaci s vlnovou povahou částic, které kvantový počítač používá jako své bity. Tento proces je navržen tak, že vlny odpovídající dobrým řešením konstruktivně interferují a vzájemně se posilují a vytvářejí silný signál. Mezitím vlny špatných řešení destruktivně zasahují a slábnou. Měřením konečného stavu bude mít algoritmus vyšší šanci na přistání na „kvalitní“ odpovědi. Výzkumníci ukázali, že pro problém optimálního polynomiálního průniku může algoritmus DQI najít dobrou aproximaci mnohem rychleji než jakýkoli známý klasický počítač.
Co je scrambling?
Ve druhé studii autoři měřili, jak se informace zakódují v komplexním kvantovém systému. Řekněme, že kápnete malé množství tmavě modrého barviva do nehybného bazénu. V první chvíli jsou „informace“ jednoduché a místní. „Modré barvivo je přímo tady,“ můžete říci. Ale barvivo tam nezůstane: rozprostře se. Informace již nejsou na jednom místě, ale distribuovány ve větším objemu vody. Po několika hodinách má celý bazén slabý jednotný modrý nádech. Původní pokles již není vidět. Zdá se, že informace jsou pryč – ale není. Bylo to zakódováno. Každá molekula vody v bazénu nyní nese téměř nepostřehnutelný kousek té „modré“ informace.
To se děje v kvantovém systému. Část informace, původně uložená v jednom kvantovém bitu, se během interakce rozšíří do všech ostatních bitů. Informace se „skryjí“ ve složitých vztazích mezi všemi částicemi. Výzva tedy zní: jak změřit vzor, který je tak složitě skrytý?
K tomu vědci použili chytrý experiment. Představte si, že stojíte ve velkém prázdném skladišti. křičíš. Zvukové vlny se okamžitě rozšířily a odrážely se od každé stěny, podlahy a stropu. Toto je zakódování: informace o zvuku jsou nyní všude. Nyní, zatímco se váš výkřik stále ozývá, váš přítel na druhé straně skladiště udeří kladivem do velkého kovového zvonu. Tento ‚kop‘ nezastaví ozvěny, ale změní je. Jakákoli zvuková vlna z vašeho výkřiku, která náhodou zasáhne ten konkrétní zvonek v tom přesném okamžiku, nyní dostane malý „otisk“ ve formě slabého kovového kroužku. Poté vědci udělali ekvivalent klepnutí na magické tlačítko pro převíjení, které způsobilo, že se všechny zvukové vlny pohybovaly dokonale dozadu. Všechny normální ozvěny, ty, které nezasáhly zvonek, dokonale sledují své cesty zpět a po návratu se navzájem ruší, což vede k úplnému tichu.
Vtisknuté ozvěny jsou však nyní mírně mimo kurz. Když cestují dozadu, neruší se správně a výzkumníci slyší velmi slabou, neuspořádanou ozvěnu – ozvěnu nesoucí otisk kopance. Tím zbytkovým zvukem je měření OTOC a tento proces míchání a zrušení (nebo ne) různých cest se nazývá interference.
Měřením slabosti a charakteru této zbylé ozvěny mohli vědci přesně říci, jak moc se informace rozšířily a interagovaly s konkrétní částí systému (zvon). Takto úspěšně změřili jemné, skryté vzorce zašifrovaných informací.
Jak ukazujete kvantovou výhodu?
Druhý experiment zahrnoval obvody tak složité, že výzkumníci odhadli, že jejich simulace na druhém nejrychlejším superpočítači na světě by zabrala více než tři roky. Procesor Willow dokončil stejný úkol asi za dvě hodiny. To znamená, že zatímco první článek popisoval kvantový algoritmus, který vyřešil hádanku mnohem rychleji než jakýkoli známý klasický počítač, výzkumníci matematicky neprokázali, že chytrý trik pro běžný počítač k rychlému vyřešení stejné hádanky neexistuje. Bude zapotřebí nový výzkum, aby se prokázalo, že problém je trvale obtížný pro všechny nekvantové počítače.
Podobně, zatímco druhý článek ukázal, že kvantový počítač řeší složitý problém, dalším krokem bude, aby nezávislý tým použil stejnou metodu k vyřešení skutečného nevyřešeného problému, řekněme, ve fyzice nebo chemii.
A konečně, i když obě studie znamenají rozhodující krok, jejich aplikace zůstávají převážně perspektivní. Stále se jedná o laboratorní úkoly, jejichž výstupy se zatím nepromítají do vědeckých objevů. Další fáze bude záviset na vylepšení dalších částí kvantového počítání, včetně opravy chyb a škálování na tisíce spolehlivých kvantových bitů. Všeobecně se očekává, že to bude trvat několik let déle.
Co tvrdil Google v roce 2019?
V experimentu z roku 2019 se výzkumníci Google pomocí kvantového systému pokusili vyřešit problém nazývaný náhodné vzorkování obvodu. Zde jeho procesor Sycamore spustil náhodný program generující seznam odpovědí s výzvou předpovědět, která z těchto odpovědí se bude objevovat nejčastěji. Vědci však nemohou zkontrolovat jedinou odpověď náhodným vzorkováním obvodu, pokud statistické rozložení všech odpovědí vypadá správně. Na druhou stranu se problém, který nový test vyřešil, týkal vědecky smysluplné fyzikální veličiny.
Výsledek byl také údajně „ověřitelný“, protože stejný problém lze spustit na klasickém počítači nebo jiném kvantovém počítači a ověření odpovědi nezávisí na statistických vzorcích. Jednou pravděpodobnou ranou aplikací těchto zjištění je hamiltonovské učení, proces odvozování neznámých parametrů fyzikálního systému porovnáním experimentálních dat se simulovanými výsledky. Stejné principy, které vyvinuli letošní laureáti Nobelovy ceny za fyziku, umožňují procesory jako Willow. Jeden z laureátů, Michel Devoret, je hlavním vědcem kvantového hardwaru ve společnosti Google Quantum AI. Nové studie vycházely z práce laureátů při řešení optimalizačního problému a následném sledování toho, jak se informace šíří v kvantových systémech.
Publikováno – 26. října 2025 0:43 IST
