Η κβαντική πληροφορική υπόσχεται ένα τεχνολογικό μέλλον όπου μηχανές θα μπορούν να λύνουν προβλήματα που τα σημερινά supercomputers δεν μπορούν καν να προσεγγίσουν. Από την ανακάλυψη νέων φαρμάκων μέχρι την ανατροπή της σύγχρονης κρυπτογραφίας και την αποκάλυψη θεμελιωδών μυστικών της φυσικής, οι προσδοκίες είναι μεγάλες. Όμως, πίσω από αυτή την αισιοδοξία κρύβεται ένα κρίσιμο και συχνά παραγνωρισμένο ερώτημα: όταν ένας κβαντικός υπολογιστής δίνει μια απάντηση που κανένας συμβατικός υπολογιστής δεν μπορεί να επαληθεύσει, πώς ξέρουμε ότι είναι σωστή;
Ερευνητές από το Swinburne University of Technology υποστηρίζουν ότι βρήκαν τη λύση. Σε νέα μελέτη παρουσιάζουν μια μέθοδο επικύρωσης που μπορεί να αποκαλύπτει εάν τα αποτελέσματα ενός κβαντικού συστήματος είναι σωστά, όχι σε χιλιάδες χρόνια, αλλά μέσα σε λίγα λεπτά.
Το πρόβλημα με την αξιολόγηση των κβαντικών αποτελεσμάτων
Ο Αλέξανδρος Δέλλιος, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Centre for Quantum Science and Technology Theory και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί το βασικό παράδοξο: υπάρχουν κατηγορίες προβλημάτων που ούτε οι ταχύτεροι supercomputers στον κόσμο μπορούν να λύσουν, τουλάχιστον όχι σε χρονικά πλαίσια που έχουν νόημα για την επιστήμη. Οι υπολογισμοί αυτοί μπορεί να χρειαστούν εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτό σημαίνει πως η κλασική προσέγγιση —να συγκριθεί η απάντηση ενός κβαντικού υπολογιστή με αυτή ενός συμβατικού για να διαπιστωθεί αν είναι σωστή— δεν είναι πρακτικά εφαρμόσιμη. Αν η επαλήθευση χρειάζεται περισσότερο χρόνο από την ίδια την ιστορία του Σύμπαντος, τότε η πρόοδος παγώνει.
Η ομάδα του Swinburne εστίασε στους Gaussian Boson Samplers (GBS), μια κατηγορία κβαντικών συσκευών που βασίζονται σε φωτόνια για να δημιουργούν εξαιρετικά περίπλοκες πιθανότητες. Οι GBS έχουν θεωρηθεί δείγματα «κβαντικής υπεροχής», ακριβώς επειδή παράγουν αποτελέσματα που τα συμβατικά συστήματα δεν μπορούν να αναπαράγουν σε λογικό χρόνο.
Αποκάλυψη λαθών σε ένα «αδιαμφισβήτητο» κβαντικό πείραμα
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα τεχνική που μπορεί να επαληθεύσει τα αποτελέσματα ενός GBS μέσα σε λίγα λεπτά χρησιμοποιώντας ακόμη και έναν απλό φορητό υπολογιστή. Η μέθοδος δεν επιχειρεί να υπολογίσει ξανά το πλήρες αποτέλεσμα, αλλά αξιολογεί εάν η κατανομή πιθανοτήτων που παράγει η μηχανή ταιριάζει με το αναμενόμενο θεωρητικό μοντέλο — και αν όχι, εντοπίζει ποια σφάλματα παρεμβαίνουν.
Για να αποδείξουν την αποτελεσματικότητα της προσέγγισης, η ομάδα ανέλυσε δεδομένα από ένα πρόσφατο διάσημο πείραμα GBS. Η αναπαραγωγή του με supercomputers θα απαιτούσε περίπου 9.000 χρόνια υπολογισμού. Ωστόσο η νέα μέθοδος αποκάλυψε σε λίγα λεπτά ότι η τελική κατανομή πιθανοτήτων του πειράματος δεν ταίριαζε με τον στόχο του, αναδεικνύοντας επιπλέον θόρυβο στο σύστημα που δεν είχε εντοπιστεί προηγουμένως.
Αυτό θέτει τώρα ένα νέο ερώτημα: η αναπαραγωγή αυτής της «λανθασμένης» κατανομής είναι μια νέα δύσκολη κβαντική διαδικασία από μόνη της ή το λάθος σήμανε ότι η συσκευή έχασε μέρος της «κβαντικότητάς» της και άρχισε να συμπεριφέρεται πιο «κλασικά»;
Ένα βήμα πιο κοντά σε αξιόπιστους εμπορικούς κβαντικούς υπολογιστές
Η δυνατότητα ανίχνευσης τέτοιων αποκλίσεων δεν είναι απλώς ακαδημαϊκή. Αν η κβαντική υπολογιστική πρόκειται να γίνει εμπορικά χρήσιμη, τότε οι μηχανές θα πρέπει να μπορούν να δίνουν όχι μόνο «εντυπωσιακές» απαντήσεις, αλλά και απαντήσεις ελεγχόμενα σωστές. Αυτός είναι ο δρόμος προς αξιόπιστους, κλιμακούμενους κβαντικούς υπολογιστές που θα μπορούν να αξιοποιηθούν από τη βιομηχανία.
Ο κ. Δέλλιος το θέτει ξεκάθαρα: η προσπάθεια κατασκευής μεγάλων, χωρίς λάθη κβαντικών υπολογιστών είναι τεράστια, αλλά όταν πραγματοποιηθεί θα μπορούσε να αλλάξει τα πάντα — από την ανάπτυξη νέων φαρμάκων και την τεχνητή νοημοσύνη μέχρι την κυβερνοασφάλεια και την κατανόηση της φύσης. Κρίσιμη προϋπόθεση για αυτό το μέλλον, όπως λέει ο ίδιος, είναι η ύπαρξη μεθόδων επικύρωσης που μπορούν να αναγνωρίζουν και να διορθώνουν τα σφάλματα χωρίς να θυσιάζεται η «κβαντικότητα» των συστημάτων.
Με άλλα λόγια, τα μεγάλα άλματα της κβαντικής πληροφορικής δεν θα εξαρτηθούν μόνο από την ισχύ, αλλά και από την εμπιστοσύνη. Η νέα τεχνική του Swinburne προσθέτει για πρώτη φορά έναν αξιόπιστο τρόπο μέτρησης της ακρίβειας, φέρνοντας πιο κοντά την εποχή όπου οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούν να χρησιμοποιούνται όχι μόνο επειδή είναι εντυπωσιακοί, αλλά επειδή είναι αποδεδειγμένα σωστοί.
