Í hvaða sérstökum tilvikum fara skammtatölvur fram úr klassískum hliðstæðum sínum? Þessu er erfitt að svara, að hluta til vegna þess að skammtatölvur nútímans eru fínir hlutir, þjakaðir af villum sem geta hrannast upp og spillt útreikningum þeirra.
Með einum mælikvarða hafa þeir auðvitað þegar gert það. Árið 2019, eðlisfræðingar hjá Google tilkynnt sem þeir notuðu 53-qubit vél til að ná skammtaárátta, táknrænn áfangi sem markar þann punkt þar sem skammtatölva gerir eitthvað sem er ekki hægt að ná til nokkurs hagnýts klassísks reiknirits. Svipað sýnikennslu af eðlisfræðingum við Vísinda- og tækniháskóla Kína fylgdi fljótlega.
En frekar en að einbeita sér að tilraunaniðurstöðu fyrir eina tiltekna vél, vilja tölvunarfræðingar vita hvort klassísk reiknirit geti haldið í við eftir því sem skammtatölvur verða stærri og stærri. „Vonin er sú að skammtafræðihliðin dragist bara alveg í burtu þar til það er engin samkeppni lengur,“ sagði Scott Aaronson, tölvunarfræðingur við háskólann í Texas, Austin.
Þessari almennu spurningu er enn erfitt að svara, aftur að hluta til vegna þessara leiðinlegu villna. (Framtíðar skammtavélar munu bæta upp fyrir ófullkomleika þeirra með því að nota tækni sem kallast skammtavilluleiðrétting, en þessi hæfileiki er enn langt undan.) Er hægt að ná væntanlegum skammtaforskoti á flótta jafnvel með óleiðréttum villum?
Flesta vísindamenn grunaði að svarið væri nei, en þeir gátu ekki sannað það í öllum tilvikum. Nú, í a pappír sett á forprentmiðlarann arxiv.org, hefur hópur tölvunarfræðinga tekið stórt skref í átt að alhliða sönnun þess að villuleiðrétting sé nauðsynleg til að tryggja varanlegt skammtaforskot í slembiúrtakssýnum - sérsniðið vandamál sem Google notaði til að sýna skammtafræðilega yfirburði. Þeir gerðu það með því að þróa klassískt reiknirit sem getur líkt eftir tilviljanakenndum hringrásarsýnatilraunum þegar villur eru til staðar.
„Þetta er falleg fræðileg niðurstaða,“ sagði Aaronson á meðan hann lagði áherslu á að nýja reikniritið sé ekki í raun gagnlegt til að líkja eftir raunverulegum tilraunum eins og Google.
Í tilraunum með slembirásarsýni byrja rannsakendur með fjölda qubita, eða skammtabita. Þeir vinna síðan af handahófi þessum qubits með aðgerðum sem kallast skammtahlið. Sum hlið valda því að pör af qubits flækjast, sem þýðir að þau deila skammtaástandi og ekki er hægt að lýsa þeim sérstaklega. Endurtekin lög af hliðum koma qubitunum í flóknara flækjuástand.
Til að fræðast um það skammtaástand mæla vísindamenn síðan alla qubitana í fylkinu. Þetta veldur því að sameiginlegt skammtaástand þeirra hrynur niður í handahófskenndan streng af venjulegum bitum - 0s og 1s. Fjöldi mögulegra útkoma vex hratt með fjölda qubita í fylkinu: Með 53 qubits, eins og í tilraun Google, er það næstum 10 quadrillions. Og ekki eru allir strengir jafn líklegir. Sýnataka úr slembirás þýðir að endurtaka slíkar mælingar mörgum sinnum til að byggja upp mynd af líkindadreifingunni sem liggur að baki niðurstöðunum.
Spurningin um skammtaforskot er einfaldlega þessi: Er erfitt að líkja eftir þeirri líkindadreifingu með klassískum reiknirit sem notar enga flækju?
Í 2019, vísindamenn reynst að svarið er já fyrir villulausar skammtarásir: Það er sannarlega erfitt að líkja klassískt eftir slembirásarsýnatilraun þegar engar villur eru. Rannsakendur unnu innan ramma reiknifræðilegrar flækjustigs, sem flokkar hlutfallslegan erfiðleika mismunandi vandamála. Á þessu sviði líta vísindamenn ekki á fjölda qubita sem fasta tölu eins og 53. „Hugsaðu um það sem n, sem er einhver tala sem á eftir að hækka,“ sagði Aram Harrow, eðlisfræðingur við Massachusetts Institute of Technology. „Þá viltu spyrja: Erum við að gera hluti þar sem átakið er veldishraða n eða margliða í n?” Þetta er ákjósanlegasta leiðin til að flokka keyrslutíma reiknirit - hvenær n vex nógu stórt, reiknirit sem er veldisvísis n er langt á eftir öllum reikniritum sem eru margliða í n. Þegar fræðimenn tala um vandamál sem er erfitt fyrir klassískar tölvur en auðvelt fyrir skammtatölvur, vísa þeir til þessarar greinarmunar: Besta klassíska reikniritið tekur veldisvísistíma á meðan skammtatölva getur leyst vandamálið í margliða tíma.
Samt hunsaði þessi 2019 blað áhrif villna af völdum ófullkominna hliða. Þetta skildi eftir opið mál um skammtafræðilegan kost fyrir slembirásarsýni án villuleiðréttingar.
Ef þú ímyndar þér að auka stöðugt fjölda qubita eins og flækjustigsfræðingar gera, og þú vilt líka gera grein fyrir villum, þarftu að ákveða hvort þú ætlar líka að halda áfram að bæta við fleiri lögum af hliðum - auka hringrásardýpt, eins og vísindamenn segja. Segjum að þú haldir hringrásardýptinni stöðugri, til dæmis, tiltölulega grunnu þremur lögum, þegar þú eykur fjölda qubita. Þú færð ekki mikla flækju og framleiðslan mun enn vera hæf fyrir klassískri uppgerð. Á hinn bóginn, ef þú eykur dýpt hringrásarinnar til að halda í við vaxandi fjölda qubits, munu uppsöfnuð áhrif hliðarvillna skola út flækjuna og aftur verður auðvelt að líkja eftir úttakinu á klassískan hátt.
En þarna á milli liggur Gulllokkasvæði. Fyrir nýja blaðið var enn möguleiki á að skammtaforskot gæti lifað af hér, jafnvel þó að fjöldi qubita jókst. Í þessu millidýptartilviki eykur þú hringrásardýpt afar hægt eftir því sem fjöldi qubita stækkar: Jafnvel þó að framleiðslan verði stöðugt hnignuð af villum gæti samt verið erfitt að líkja eftir klassískum hætti í hverju skrefi.
Nýja blaðið lokar þessari glufu. Höfundarnir leiddu til klassísks reiknirit til að líkja eftir slembirásarsýni og sönnuðu að keyrslutími hennar er margliðufall af þeim tíma sem þarf til að keyra samsvarandi skammtatilraun. Niðurstaðan myndar náið fræðilegt samband milli hraða klassískrar og skammtafræðiaðferða við slembiúrtak.
Nýja reikniritið virkar fyrir stóran flokk millidýptar hringrása, en undirliggjandi forsendur þess brotna niður fyrir ákveðnar grynnri, og skilur eftir lítið bil þar sem skilvirkar klassískar hermiraðferðir eru óþekktar. En fáir vísindamenn halda í vonina um að erfitt muni reynast að líkja eftir slembirásarsýnum á klassískan hátt í þessum granna glugga sem eftir er. "Ég gef því frekar litla líkur," sagði Bill Fefferman, tölvunarfræðingur við háskólann í Chicago og einn af höfundum fræðiritsins 2019.
Niðurstaðan bendir til þess að tilviljunarkennd hringrásarsýni muni ekki skila skammtafræðilegu forskoti samkvæmt ströngum stöðlum flækjustigsfræðinnar. Á sama tíma sýnir það þá staðreynd að margliða reiknirit, sem flækjustigsfræðingar kalla skilvirkt, eru ekki endilega hröð í reynd. Nýja klassíska reikniritið verður smám saman hægara eftir því sem villuhlutfallið minnkar og við lága villuhlutfallið sem næst í skammtafræðitilraunum er það allt of hægt til að vera hagnýtt. Án villna brotnar það alveg niður, þannig að þessi niðurstaða stangast ekki á við neitt sem vísindamenn vissu um hversu erfitt það er að líkja klassískt eftir tilviljunarkenndu hringrásarsýni í fullkomnu, villulausu tilviki. Sergio Boixo, eðlisfræðingurinn sem stýrir rannsóknum á skammtafræði yfirráða Google, segir að hann líti á blaðið „meira sem ágæta staðfestingu á slembiúrtöku en nokkuð annað.
Um eitt atriði eru allir vísindamenn sammála: Nýja reikniritið undirstrikar hversu mikilvæg skammtavilluleiðrétting verður fyrir langtímaárangur skammtafræðinnar. „Það er lausnin, þegar öllu er á botninn hvolft,“ sagði Fefferman.
