Un singur calcul separă acum hype-ul cuantic de dovada cuantică, nu doar prin viteză, ci prin faptul că rezultatul poate fi verificat. Cercetările se concentrează pe o nouă modalitate de a explora comportamente cuantice complexe și de a dezvălui efecte pe care supercomputerele clasice le pot simula cu mare dificultate. Această înțelegere este importantă chiar acum pentru chimie și medicină, potrivit revistei Earth.
Cercetătorii au raportat un avantaj cuantic pentru un calcul în care simularea clasică devine rapid costisitoare, chiar înainte ca erorile să intre în joc.
Munca de la Google Quantum AI a vizat calcule pe care mașinăriile clasice nu le pot urmări fără a pierde rezultatul.
Hartmut Neven, fondator și lider al Google Quantum AI, a petrecut ani întregi împingând hardware-ul cuantic către probleme care pot fi verificate în mod real.
Această focalizare contează deoarece titlurile anterioare despre calculul cuantic s-au prăbușit adesea în fața unor trucuri clasice mai bune, lăsând publicul din afară nesigur în privința a ceea ce poate fi crezut.
Rezultate cuantice verificabile
Verificarea a devenit esențială atunci când sarcina a încetat să mai fie o demonstrație izolată și a început să producă o valoare numerică stabilă.
În prezentarea lor, publicată în revista Nature, verificabilitatea — rezultate repetabile pe care sisteme independente le pot reproduce — a depins de menținerea erorilor la un nivel scăzut.
„Cipul nostru cuantic Willow demonstrează primul algoritm care atinge vreodată un avantaj cuantic verificabil pe hardware”, a declarat Neven.
Chiar și cu această garanție, verificarea necesită în continuare mai multe dispozitive care să ruleze exact aceeași sarcină, altfel îndoiala va reveni.
Derularea timpului cuantic înapoi
Quantum Echoes a folosit o derulare controlată înapoi, astfel încât să poată scoate la iveală detalii care, în mod normal, dispar după amestecare, atunci când informația se răspândește pe mai mulți qubiți.
Cercetătorii au rulat operațiile înainte, au inversat anumiți qubiți, apoi au rulat aceleași operații înapoi, ceea ce a inversat interacțiunile anterioare.
Această secvență dus-întors s-a transformat într-un interferometru — un sistem în care semnalele de tip undă se adună sau se anulează — chiar în interiorul cipului.
Fără această derulare inversă, sistemul ar estompa detaliile de fază, lăsând o medie banală care dezvăluie mai puține informații.
Semnale care rămân clare
Pentru a surprinde această sensibilitate, echipa a măsurat un corelator „out-of-time-order”, un indicator al răspândirii perturbațiilor în timp, prescurtat OTOC.
Prin rularea secvenței de două ori, OTOC(2) a păstrat semnalul, deoarece inversarea suplimentară a reordonat aceeași informație.
Corelațiile obișnuite au scăzut rapid, însă OTOC(2) a continuat să varieze între instanțele circuitului, arătând că cipul urmărea încă diferențe microscopice.
Această persistență stabilește o limită a ceea ce metoda poate dezvălui, deoarece zgomotul șterge în cele din urmă contrastul rămas.
Bucle în interiorul șirurilor Pauli
În interiorul procesorului, calculul s-a extins în șiruri Pauli, secvențe de operatori pe mai mulți qubiți care urmăresc modul în care o schimbare locală se propagă.
Echipa a randomizat fazele în momente alese, ceea ce a inversat semnele multor șiruri fără a le schimba dimensiunea.
Acest pas a scos la iveală interferența constructivă — unde undele se adună și întăresc rezultatul — atunci când bucle mari s-au aliniat în spațiul configurațiilor.
Pentru că multe combinații de bucle au contat simultan, erorile mici ale hardware-ului le-au putut estompa, limitând cât de mult poate fi extinsă tehnica.
De ce supercomputerele în urmă
Partea dificilă nu a fost rularea circuitului cuantic, ci prezicerea în avans a rezultatului său cu ajutorul codului clasic.
Un articol a estimat că un singur punct de date pe 65 de qubiți ar costa aproximativ 3,2 ani de calcul pe Frontier. Aceeași măsurătoare a durat aproximativ 2,1 ore pe hardware-ul cuantic, astfel încât diferența a părut mai mult decât academică.
Această estimare s-a bazat pe cea mai bună metodă de simulare cunoscută, deși noi trucuri clasice ar putea reduce diferența în viitor.
Chiar și o mașină de top întâmpină dificultăți, deoarece simularea multor qubiți necesită urmărirea a mai multor posibilități decât poate stoca memoria sa.
Sistemul Frontier poate depăși un quintilion de calcule pe secundă, dar interferența cuantică îl copleșește totuși.
Simulatoarele clasice folosesc adesea contracția rețelelor tensoriale, comprimând matematica prin eliminarea conexiunilor slabe, însă buclele mari rezistă acestei scurtături.
Până când cercetătorii vor găsi aproximări mai bune, fiecare qubit suplimentar poate transforma o rulare gestionabilă într-un impas imposibil.
Limitele hardware încă se simt
Aceste experimente au depins de qubiți supraconductori care au rămas coerenți suficient de mult pentru a rula circuitul înainte și apoi pentru a-l anula.
Fiecare eroare de poartă a deviat sistemul de la traiectoria intenționată, făcând ca jumătatea inversă să nu mai poată derula perfect înapoi.
Designul s-a bazat pe entanglement (n.r. sau inseparabilitate cuantică) — stări cuantice corelate care împart rezultate — pentru a răspândi informația pe o rețea de qubiți.
Pe măsură ce această rețea a crescut, zgomotul parazit s-a putut răspândi și el, astfel că îmbunătățirea stabilității rămâne o cerință practică, nu un bonus.
„Un pas semnificativ către primele aplicații reale ale calculului cuantic”
Aceleași instrumente pot face mai mult decât teste de performanță, deoarece pot ajuta la deducerea regulilor care guvernează un sistem cuantic real.
Cercetătorii au descris acest lucru ca învățare hamiltoniană, extragerea regulilor sistemului prin potrivirea atentă a măsurătorilor cu simulările.
Lucrarea a menționat și studiul structurii moleculare, deoarece ecourile cuantice pot amplifica cuplaje subtile pe care modelele standard le ratează.
„Această demonstrație a primului avantaj cuantic verificabil obținut vreodată cu algoritmul nostru Quantum Echoes marchează un pas semnificativ către primele aplicații reale ale calculului cuantic”, a spus Neven.
Împreună, inversările, interferența și verificarea atentă permit hardware-ului cuantic să dezvăluie corelații pe care calculatoarele clasice le pot prezice cu dificultate.
Următoarea provocare este reproducerea acestor rezultate pe alte dispozitive, reducând în același timp erorile suficient de mult pentru a susține calcule utile în chimie.