Systemy bozonowe zweryfikują przydatność komputerów kwantowych

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Cztery niezależne grupy badaczy poinformowały o skonstruowaniu specjalnych komputerów kwantowych, które mają posłużyć jako modele do sprawdzenia, czy... jest sens pracować nad komputerami kwantowymi. Teoretycznie komputery kwantowe mogą błyskawicznie rozwiązać zadania, które obecnie stosowanym superkomputerom zajęłyby tysiące lat. Problem jednak w tym, że nie istnieje żaden system kwantowy, który mógłby się równać chociażby z najprostszym domowym kalkulatorem, nie mówiąc już o superkomputerach. Dlatego też nie wiadomo, czy niezwykle skomplikowane i kosztowne prace nad komputerami kwantowymi mają w ogóle sens.

W 2010 roku Scott Aaronson i Aleksandr Arkhipov z MIT-u stworzyli teoretyczny model kwantowej maszyny korzystającej z bozonów, która miałaby dać odpowiedź na pytanie, czy na pewno komputery kwantowe mogą być bardziej wydajne od komputerów klasycznych.

Obecnie powstały cztery tego typu maszyny, które posłużą do zweryfikowania dotychczasowych przewidywań dotyczących komputerów kwantowych. Są one prostymi systemami kwantowymi, które jednak mogą pracować bardziej wydajnie niż klasyczne komputery. Wszystkie opierają się na teorii Aaronsona i Arkhipova. Różnią się jedynie szczegółami. Maszyny wykorzystują liczne krzyżujące się ze sobą falowody. Istnieje wiele wejść oraz wyjść z falowodów. Aaronson i Arkhipov przewidują, że jeśli do falowodów wpuścimy duża liczbę identycznych fotonów (bozonów), to jest niezwykle trudno obliczyć, kiedy opuszczą one falowody. Wraz z każdym dodanym fotonem wzrasta trudność obliczeń. Wspomniane maszyny są więc prostym systemem kwantowym, który może rozwiązać problem, z którym nie poradzą sobie dzisiejsze superkomputery.

Obecnie do trzech z czterech bozonowych maszyn wpuszczono po trzy fotony. Zespół z Oxfordu użył w swojej maszynie czterech fotonów. To na tyle mała liczba, że i klasyczne komputery poradzą sobie z obliczeniami. Można będzie zatem zweryfikować dane z maszyn bozonowych. Zanim użyjemy dziesiątków fotonów musimy zweryfikować działanie maszyn i poprawić niedociągnięcia - wyjaśnia Justin Spring z Oxfordu.

Aaronson przewiduje, że dopiero system korzystający z 30 fotonów pozwoli na wykazanie wyższości komputerów kwantowych. Przy tej liczbie fotonów możliwa będzie jeszcze weryfikacja wyników w rozsądnym czasie za pomocą klasycznych komputerów. Przy systemie 100-fotonowym żaden klasyczny superkomputer, który istnieje obecnie lub powstanie w najbliższej przyszłości, nie poradzi sobie ze sprawdzeniem wyników w rozsądnym czasie.

Należy tutaj podkreślić, że kwantowe maszyny bozonowe nie są uniwersalnymi komputerami kwantowymi. Nie można ich zaprogramować, by wykonywały dowolne obliczenia. Służą tylko i wyłącznie do weryfikacji ewentualnej przydatności maszyn kwantowych.

Mimo, że już powstały cztery maszyny bozonowe, to miną całe lata zanim naukowcy użyją wystarczającej liczby fotonów, by zweryfikować prawdziwość przewidywań dotyczących komputerów kwantowych. Jak mówi Anthony Laing z University of Bristol, który nie jest zaangażowany w budowę żadnej ze wspomnianych maszyn, uczeni muszą np. udoskonalić metody wytwarzania identycznych fotonów, nauczyć się jak zredukować liczbę traconych fotonów oraz poprawić techniki wykrywania fotonów na wyjściu. Obecna technologia jest jeszcze w powijakach. Dość wspomnieć, że zamiast jednego czasem otrzymujemy dwa fotony, co zaburza obliczenia.

Cztery grupy, które skonstruowały maszyny bozonowe składają się z uczonych z University of Queensland i MIT-u, Oxford University i Shanghai Jiao Tong University z Chin, naukowców z Wiednia i Jeny oraz badaczy z Mediolanu, Rzymu i brazylijskiego Niterói.