Computerele cuantice au promis de mult timp să revoluționeze tehnologia, având capacitatea de a accelera calcule complexe, de a concepe noi medicamente, de a sparge criptarea modernă și de a descoperi noi materiale exotice. Însă a existat un obstacol major: zgomotul (noise). Acesta este termenul utilizat pentru toate erorile minuscule care se acumulează în timpul calculelor cuantice, făcând adesea ca aceste mașini futuriste să fie mai puțin eficiente chiar și decât computerele clasice de astăzi.
Însă o descoperire revoluționară a inginerilor de la University of Southern California (USC) a depășit o barieră importantă în domeniul calculului cuantic. Aceștia au demonstrat o creștere exponențială a puterii de calcul folosind două procesoare cuantice IBM Eagle pe 127 qubiți – toate operate de la distanță prin cloud.
„Au existat anterior demonstrații ale unor tipuri de accelerare [a executării operațiilor] mai modeste, cum ar fi o accelerare polinomială”, spune Daniel Lidar, profesor de inginerie la USC și cofondator al Quantum Elements, Inc. „Dar o accelerare exponențială este cel mai dramatic tip de accelerare pe care ne așteptăm să o vedem la computerele cuantice”.
O piatră de hotar în domeniul calculelor cuantice a fost întotdeauna demonstrarea capacității acestora de a executa algoritmi la scară mult mai amplă decât o pot face computerele clasice. Aceasta nu înseamnă neapărat o viteză mai mare, ci mai degrabă creșterea dimensiunii problemei prin introducerea mai multor variabile. Cu cât algoritmul conține mai multe variabile, cu atât diferența dintre puterea de procesare a computerelor cuantice și cea a computerelor clasice crește simțitor. Iar o accelerare exponențială înseamnă că diferența de performanță se dublează cu fiecare nouă variabilă.
Noul studiu introduce ceea ce se numește o accelerare „necondiționată”, adică ea nu se bazează pe nicio presupunere nedemonstrată. Autorii au utilizat un algoritm modificat pentru a rezolva o variație a problemei lui Simon – un algoritm cuantic care, în teorie, poate executa o sarcină exponențial mai rapid decât un calculator clasic, fără nicio condiție.
Problema lui Simon implică găsirea unui model repetitiv ascuns într-o funcție matematică și este considerată precursorul a ceea ce este cunoscut sub numele de algoritmul de factorizare al lui Shor, care poate fi folosit pentru a sparge coduri și a lansat întregul domeniu al calculului cuantic. Problema lui Simon este ca un joc de ghicit, în care jucătorii încearcă să ghicească un număr secret cunoscut doar de gazda jocului („oracolul”). Odată ce un jucător ghicește două numere pentru care răspunsurile returnate de oracol sunt identice, numărul secret este dezvăluit, iar jucătorul respectiv câștigă. Jucătorii cuantici pot câștiga acest joc exponențial mai repede decât jucătorii clasici.
Așadar, cum a reușit echipa să atingă această accelerare exponențială? „Cheia a fost optimizarea la maximum a performanței hardware-ului: circuite mai scurte, secvențe de impulsuri mai inteligente și atenuarea erorilor statistice.” Cercetătorii au realizat acest lucru în patru moduri diferite.
În primul rând, au limitat datele introduse prin restricționarea numărului de numere secrete permise (tehnic, prin limitarea numărului de unități în reprezentarea binară a setului de numere secrete). Acest lucru a dus la mai puține operații logice cuantice decât ar fi necesar altfel, ceea ce a redus posibilitatea acumulării de erori.
În al doilea rând, au comprimat numărul de operații logice cuantice necesare cât mai mult posibil folosind o metodă cunoscută sub numele de transpilare.
În al treilea rând, și cel mai important, cercetătorii au aplicat o metodă numită „decuplare dinamică” (dynamical decoupling), care înseamnă aplicarea unor secvențe de impulsuri atent proiectate pentru a detașa comportamentul qubiților din cadrul computerului cuantic de mediul lor zgomotos și pentru a menține procesarea cuantică pe drumul cel bun. Decuplarea dinamică a avut cel mai dramatic impact asupra capacității de a demonstra o accelerare cuantică.
În cele din urmă, au aplicat „atenuarea erorilor de măsurare”, o metodă care găsește și corectează anumite erori rămase după decuplarea dinamică din cauza imperfecțiunilor în măsurarea stării qubiților la sfârșitul algoritmului.
Sursa: SciTechDaily