Η IBM, ένας από τους μεγαλύτερους ομίλους τεχνολογίας και έρευνας παγκοσμίως με μακρά παρουσία στην ανάπτυξη υπολογιστικών συστημάτων, βρίσκεται εδώ και χρόνια στην πρώτη γραμμή της προσπάθειας να μετατραπεί η κβαντική υπολογιστική από θεωρητική υπόσχεση σε πρακτικό εργαλείο. Τώρα, μαζί με συνεργαζόμενα ερευνητικά ιδρύματα, η εταιρεία ανακοίνωσε ότι πέτυχε το αποκαλούμενο «κβαντικό πλεονέκτημα» (quantum advantage) σε τρία διαφορετικά πειράματα, δείχνοντας ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν πλέον να εκτελούν υπολογισμούς τους οποίους οι ισχυρότεροι συμβατικοί υπερυπολογιστές αδυνατούν να ολοκληρώσουν σε εύλογο χρόνο.
- Η IBM και συνεργάτες παρουσίασαν τρία ανεξάρτητα πειράματα που καταδεικνύουν κβαντικό πλεονέκτημα σε επιστημονικά προβλήματα.
- Οι μελέτες αξιοποίησαν τον υπεραγώγιμο υπολογιστή IBM Quantum Heron R3 μαζί με νέες τεχνικές περιορισμού σφαλμάτων.
- Σε ένα πείραμα, ο κβαντικός υπολογιστής ολοκλήρωσε μια εργασία σε περίπου 15 λεπτά, εκεί όπου οι κορυφαίες κλασικές μέθοδοι αντιμετώπιζαν απαγορευτικούς χρόνους.
Σύμφωνα με την IBM, τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να παρέχουν αξιόπιστες λύσεις με μεγαλύτερη ταχύτητα, χαμηλότερο κόστος ή υψηλότερη ακρίβεια σε σύγκριση με οποιαδήποτε κλασική υπολογιστική μέθοδο. Το επίτευγμα θεωρείται ορόσημο, καθώς τα πειράματα δείχνουν ότι τα συστήματα αυτά μπορούν να επιλύσουν χρήσιμα προβλήματα, όπως η προσομοίωση χημικών αντιδράσεων, σε λίγα λεπτά, τη στιγμή που ένας σύγχρονος υπερυπολογιστής θα χρειαζόταν χρόνια για τους ίδιους υπολογισμούς.
Τι σημαίνει «κβαντικό πλεονέκτημα» και γιατί είναι δύσκολο
Σε αντίθεση με τους κλασικούς υπολογιστές, όπου η βασική μονάδα πληροφορίας είναι το bit που παίρνει τιμή 0 ή 1, οι κβαντικοί αξιοποιούν τα κβαντικά bits (qubits), τα οποία μέσω της υπέρθεσης μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα στις καταστάσεις 0 και 1, επιτρέποντας την παράλληλη εκτέλεση πολύπλοκων υπολογισμών. Το μεγάλο εμπόδιο παραμένει ο θόρυβος και τα σφάλματα που εισάγει στα ευαίσθητα αυτά συστήματα — ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της κβαντικής υπολογιστικής.
Οι τρεις μελέτες αξιοποίησαν τον υπεραγώγιμο κβαντικό υπολογιστή IBM Quantum Heron R3 σε συνδυασμό με νέες τεχνικές περιορισμού των σφαλμάτων. Το πρώτο πείραμα, σε συνεργασία με την εταιρεία Qedma, μελέτησε το μοντέλο Floquet transverse-field Ising, που περιγράφει πώς εξελίσσονται οι μαγνητικές ιδιότητες ενός υλικού όταν δέχεται περιοδικούς εξωτερικούς παλμούς — πρόβλημα εξαιρετικά δύσκολο για τους συμβατικούς υπολογιστές, καθώς η πολυπλοκότητα αυξάνεται εκθετικά όσο μεγαλώνει το σύστημα.
Το κρίσιμο ζήτημα δεν ήταν μόνο η ταχύτητα, αλλά η αξιοπιστία
Για τη σύγκριση χρησιμοποιήθηκε ο ιαπωνικός υπερυπολογιστής Fugaku, ένας από τους ισχυρότερους στον κόσμο. Μέχρι ένα επίπεδο πολυπλοκότητας τα αποτελέσματα των δύο συστημάτων μπορούσαν να συγκριθούν άμεσα· όταν όμως ο συμβατικός υπερυπολογιστής έφτασε στα όριά του, ο κβαντικός συνέχισε να εκτελεί τους υπολογισμούς.
«Θέλεις να πραγματοποιήσεις υπολογισμούς που ξεπερνούν τις δυνατότητες των κλασικών υπολογιστών. Όμως για χρόνια βασιζόσουν στα αποτελέσματα των συμβατικών συστημάτων. Όταν πλέον τα ξεπερνάς, πώς γνωρίζεις ότι η απάντηση που πήρες είναι σωστή;» δήλωσε ο Άμπχιναβ Καντάλα, κύριος ερευνητής της IBM.
Για να απαντήσουν, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το λογισμικό QESEM της Qedma, το οποίο περιορίζει και διορθώνει τα σφάλματα που προκαλεί ο θόρυβος. Αφού επιβεβαίωσαν ότι τα αποτελέσματα συμφωνούσαν με εκείνα του Fugaku όπου αυτό ήταν εφικτό, αύξησαν την πολυπλοκότητα μέχρι το σημείο όπου ο υπερυπολογιστής δεν μπορούσε πλέον να ανταποκριθεί. Το ίδιο κύκλωμα εκτελέστηκε σε πέντε διαφορετικά κβαντικά συστήματα — δύο της IBM στις εγκαταστάσεις της στη Βοστώνη και το Πίτσμπουργκ και δύο της Quantinuum — με σκόπιμη εισαγωγή διαφορετικών επιπέδων τεχνητού θορύβου. Παρά τις διαφορετικές συνθήκες, όλα παρήγαγαν συνεπή και σχεδόν ταυτόσημα αποτελέσματα.
Στο δεύτερο πείραμα, IBM και Algorithmiq χρησιμοποίησαν το ίδιο μοντέλο με διαφορετική μέθοδο αντιμετώπισης σφαλμάτων· καθώς οι υπολογισμοί γίνονταν πιο σύνθετοι, οι συμβατικοί υπολογιστές άρχισαν να εμφανίζουν αποκλίσεις, ενώ οι κβαντικοί διατηρούσαν τη συνέπειά τους.
Το τρίτο πείραμα εστίασε στην επαλήθευση των αποτελεσμάτων
Το τρίτο πείραμα, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση. Οι ερευνητές ξεκίνησαν με ένα κύκλωμα βασισμένο στις πύλες Clifford, που προσομοιώνονται σχετικά εύκολα, και πρόσθεσαν σταδιακά πιο πολύπλοκες πύλες τύπου T, αυξάνοντας τη δυσκολία. Σε μία από τις μεγαλύτερες μέχρι σήμερα επιδείξεις διόρθωσης σφαλμάτων, η ομάδα εκτέλεσε 70 λογικά qubits, 2.415 λογικές πράξεις δύο qubits και 468 λογικές πύλες T, θωρακίζοντάς τα από σφάλματα.
Το ζήτημα της επαλήθευσης βρίσκεται στο επίκεντρο. Ως τώρα, ένα διαδεδομένο κριτήριο σύγκρισης ήταν το random circuit sampling (RCS), όπου ο κβαντικός υπολογιστής παράγει μοτίβα τόσο πολύπλοκα που ένας κλασικός δεν μπορεί να αναπαραγάγει αποδοτικά. Το πρόβλημα είναι ότι, όσο δυσκολεύει, γίνεται σχεδόν αδύνατο να αποδειχθεί ότι η απάντηση είναι σωστή. Η ομάδα ανέπτυξε μια δομημένη εναλλακτική που διατηρεί την ίδια δυσκολία με το RCS, αλλά επιτρέπει τον εντοπισμό σφαλμάτων κατά τη διάρκεια του υπολογισμού.
«Η επαλήθευση παραμένει μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για τη σταθερή τεκμηρίωση του πειραματικού κβαντικού πλεονεκτήματος», σημείωσε ο Μπιλ Φέφερμαν, αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και συν-συγγραφέας. Ο συν-συγγραφέας Σούμικ Γκος πρόσθεσε ότι οι πρόοδοι στην επαλήθευση «έχουν τη δυνατότητα να ξεκλειδώσουν πρακτικές εφαρμογές για την επόμενη γενιά κβαντικών υπολογιστών».
«Βρισκόμαστε πλέον σταθερά στην εποχή του κβαντικού πλεονεκτήματος», δήλωσε ο Τζέι Γκαμπέτα, διευθυντής της IBM Research. Ο κβαντικός υπολογιστής χρειάστηκε περίπου 15 λεπτά για την εργασία, ενώ πολλές κορυφαίες κλασικές μέθοδοι προσομοίωσης αντιμετώπιζαν απαγορευτικούς χρόνους εκτέλεσης.
Η συζήτηση παραμένει ανοιχτή
Παρά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα, οι ίδιοι οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι το ζήτημα δεν έχει κλείσει. Τα τελευταία χρόνια αρκετές ομάδες ανακοίνωσαν επιτεύγματα «κβαντικής υπεροχής», «κβαντικής χρησιμότητας» ή «κβαντικού πλεονεκτήματος», αλλά πολλά αμφισβητήθηκαν αργότερα, όταν νέοι αλγόριθμοι βελτίωσαν τις δυνατότητες των συμβατικών υπολογιστών. Η IBM εκτιμά ότι κάτι αντίστοιχο μπορεί να συμβεί ξανά, θεωρώντας το φυσικό μέρος της επιστημονικής προόδου.
«Η αντιπαράθεση ανάμεσα στις κλασικές και τις κβαντικές μεθόδους θα συνεχιστεί, και έτσι πρέπει να γίνει. Έτσι εξελίσσεται η επιστήμη», σημείωσε ο Καντάλα, προσθέτοντας ότι γι’ αυτό δημιουργήθηκε και το Quantum Advantage Tracker, ένα σύστημα αξιολόγησης που επιτρέπει στους ερευνητές να μετρούν αντικειμενικά πότε ένας κβαντικός υπολογιστής ξεπερνά πραγματικά τους καλύτερους συμβατικούς. Η σχετική εργασία («Sampling hard circuits with verifiably high fidelity») έχει δημοσιευτεί στον διακομιστή προδημοσιεύσεων arXiv.
Πιστεύετε ότι η κβαντική υπολογιστική θα φτάσει σύντομα σε πρακτικές εφαρμογές που θα αλλάξουν την επιστήμη και τη βιομηχανία, ή πρόκειται για ένα ακόμη ορόσημο που θα αμφισβητηθεί; Πείτε μας τη γνώμη σας.
