Kína elérte a kvantumfölényt

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Csütörtökön Kína vezető kvantumkutató-csoportja bejelentette, hogy elérték a kvantumfölényt a Jiuzhang nevű kvantumszámítógéppel: a rendszer percek alatt végezhet el olyan számítási folymatokat, amikhez a világ legerősebb szuperszámítógépét használva kétmilliárd évre lenne szükség.

A Google tavaly jelentette be, hogy a saját kvantumszámítógép-rendszerükkel megvalósították a kvantumfölényt – az ő rendszerükkel a szuperkomputeres számítások tízezer évig tartanának. A két rendszer működése alapvetően különbözik: a Google áramköreihez szuper-alacsony hőmérsékletűre hűtött szupravezető fémeket használnak, míg a Kínai Műszaki és Tudományegyetemen dolgozó kutatók rendszere fotonokat manipulál.

Hány qubit kell egy kvantumszámítógéphez?

A kvantumszámítógépek teljesítménybeli fölénye a rendszer információs alapegységeire a kvantumbitekre (qubit) épül. A neumanni elvekre épülő számítógépek esetében az információs alapegységek, a bitek egyeseket és nullákat reprezentálnak; egy kvantumbit mindkettőt leírhatja. Mindezt úgy érik el, hogy egy szokatlan állapotba, hozzák őket, amit kvantum-szuperpozíciónak neveznek. Ha sikerül elég kvantumbitet létrehozni, lehetségessé válhat olyan műveletek elvégzése, amiket szuperszámítógépekkel jóval tovább tartana elvégezni; minél több kvantumbittel dolgozunk, annál nagyobb a kvantumszámítógép teljesítménye.

A kvantumszámítógépek azért nem terjedtek el – kvantumfölény ide vagy oda –, mert a szakértőknek nem sikerült annyi kvantumbitet előállítaniuk, amennyi a megbízható működéshez szükséges. Ehhez ugyanis igen érzékeny kvantummechanikai feltételeknek kell teljesülniük. A Google és a kínai kutatócsoport rekordjai annak köszönhetők, hogy viszonylag sok kvantumbitet sikerült létrehozniuk.

A Google saját kvantumcsipje, a Sycamore 54 kvantumbittel dolgozik; működés közben a csipet egy Celsius-fokkal az abszolút nulla fok (mínusz 273 Celsius-fok) fölé hűtötték. A művelet során egy kvantumbit széthullott, de a maradék 53 is elég volt ahhoz, hogy demonstrálja a kvantumszámítógép fölényét a klasszikus szuperszámítógépekhez viszonyítva. Még nem tudjuk, hogy a stabil működéshez hány kvantumbitre lenne szükség: a szakértői becslések a néhány száztól a több millióig terjednek.

Csúcsteljesítmény, de csak egy célra

A kínai kutatócsoport statisztikai teszteket használt a kvantumfölény elérésének alátámasztásához. A kvantum-adathordozókhoz fotonokat használtak, amik tükrök segítségével navigálhattak az optikai áramkörökben. A folyamat végén minden kiolvasott foton egy kvantumbitet reprezentált; így kapták meg a kérdéses végeredményt.

A Jiuzhang a kutatók szerint maximum 76 fotonnal dolgozott, de az átlagérték jellemzően 43 volt. A szakértők a kvantumrendszer működésének szimulálásához saját programkódot írtak, hogy a Sunway TaihuLight nevű szuperszámítógépen futtathassák, de ezzel nem érhettek el hasonló eredményt: a becslések szerint nagyjából kétmilliárd évre lenne szükség, hogy a Sunway TaihuLight elvégezze azokat a számításokat, amikhez a Jiuzhangnak alig három percre volt szüksége.

A kínai kutatócsoportot Jian-Wei Pan vezette. A csoport korábban látványos eredményeket ért el a rekordtávolságból végrehajtott kvantumtitkosítással; ennek a képességeit egy Kína–Ausztria videóhívás titkosításával demonstrálták. A művelethez egy kvantumkommunikációs célokra fejlesztett műholdat használtak. A kvantumtitkosítás elvileg feltörhetetlen, de a gyakorlat azt bizonyítja, hogy még nem teljesen biztonságos.

A Jiuzhang abban is különbözik a Google Sycamore-tól, hogy a fotonokra épülő prototípust nem könnyű újraprogramozni a különböző számítástípusok elvégzéséhez: a működését gyakorlatilag az optikai áramkörökbe kódolták. Emiatt a Jiuzhang gyakorlatilag egyféle műveletet tud elvégezni: a bozon-mintavételt (boson sampling).

Az eredmény ugyanakkor figyelemre méltó: Christian Weedbrook, a kvantumszámítógép-fejlesztéssel foglalkozó torontói startup, a Xanadu vezetője szerint a Jiuzhang példája rávilágít, hogy hányféle megközelítést alkalmazhatunk a kvantumszámítógépek fejlesztése során.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: