Komputery kwantowe potrafią… symulować. Fizycy mówią: sprawdzam

Jak komputery kwantowe oszukują?

W fizyce kwantowej nic nie jest oczywiste. To świat pełen dziwnych i sprzecznych z intuicją zjawisk. Mimo to żyjemy w powszechnym przekonaniu, że byliśmy w stanie zrozumieć je na tyle, by stworzyć mechanizmy działania dla nowoczesnych komputerów kwantowych. Okazuje się jednak, że przeświadczenie bywa mylne. Bywa, że kwantowy komputer oszukuje i tak naprawdę wcale nie wykorzystuje procesów, które zostały zaprojektowane, a jedynie je naśladuje. Jak skutecznie wykrywać, gdy mamy do czynienia z symulowaniem? Tym problemem zajął się międzynarodowy zespół fizyków.

Jak wykryć kwantowe kłamstwo?

Teoretycznie w wykryciu oszustw komputerów kwantowych pomaga tzw. test Bella, opracowany przez fizyka Johna Stewarta Bella w latach 70. XX wieku. W trakcie testu przeprowadza się wiele pomiarów na dwóch działających niezależnie systemach. Następnie matematycznie oblicza się podobieństwo ich działania. Jeżeli przekracza pewną granicę (zwaną nierównością Bella), to mamy do czynienia z procesem kwantowym. Tylko w procesie kwantowym dwie oddalone od siebie cząsteczki mogą na siebie wpływać w taki sposób. Zjawisko to nazywa się kwantową nielokalnością. Jeśli nierówność Bella nie jest osiągnięta, oznacza to, że komputer kwantowy jedynie taki proces naśladuje.

Wykonanie testów Bella na coraz bardziej zaawansowanych kwantowych maszynach jest jednak trudne. Międzynarodowy zespół badawczy z Uniwersytetu w Leiden (Holandia), Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie i Uniwersytetu Zhejiang w Hangzhou postanowił uprościć cały proces.

Wykryli kłamstwa komputerów dzięki… zużyciu energii

Opisana w czasopiśmie Physical Review X strategia zespołu okazała się genialna w swojej prostocie. Zamiast próbować bezpośrednio mierzyć, czy system przekracza nierówność Bella, naukowcy skoncentrowali się na minimalizowaniu zużycia energii. I to zadziałało.

Zespół sprawdzał, ile energii zużywa specjalnie przygotowany fragment procesora kwantowego. Dlaczego? W świecie fizyki istnieje granica, poniżej której klasyczne systemy nie są w stanie zejść. Mówiąc prościej: odpowiednio małe zużycie jest możliwe tylko w układach kwantowych. Jeżeli komputer zużywa więcej energii, oznacza to, że jedynie udaje tego typu procesy. Badacze wykorzystali w sumie 73 kubity mocy kwantowej (kubit to podstawowy element komputera kwantowego i zarazem miara jego mocy obliczeniowej). Aż w 48 z nich zarejestrowano odchylenia, jeśli chodzi o zużycie energii. Te kubity na pewno działały w sposób kwantowy. Naukowcy podkreślają, że jest praktycznie niemożliwe, aby taki wynik był dziełem przypadku.

Sekrety świata nauki odkryjesz na kanale Holistic News na YouTube:

Więcej niż kwanty

Badacze nie poprzestali na tym sukcesie. Naukowcy potwierdzili rzadki i bardziej wymagający rodzaj nielokalności, zwany prawdziwą wieloczęściową korelacją Bella. Pod tą skomplikowaną nazwą kryje się sytuacja, w której w sposób kwantowy działają wszystkie kubity w systemie. Taka sytuacja jest bardzo trudna do wygenerowania i jeszcze trudniejszymi do zweryfikowania.

Badaczom udało się jednak przygotować całą serię systemów o niskiej energii, które przeszły ten test. Dzięki temu wiemy, że komputery kwantowe nie tylko stają się większe, ale też lepsze w wykazywaniu i udowadnianiu tego, że faktycznie działają kwantowo.

Odkrycia te dotyczą bardzo abstrakcyjnego i trudnego do zrozumienia aspektu rzeczywistości. Mimo to mechanika kwantowa ma realne przełożenie na współczesny świat. Zrozumienie i kontrolowanie korelacji Bella może ulepszyć komunikację kwantową, usprawnić kryptografię i cyberbezpieczeństwo. Z komputerów kwantowych mogą również korzystać złożone algorytmy, wykorzystywane w wielu branżach.

Więcej o mechanice kwantowej dowiesz się z artykułu: Choć opisano ją 100 lat temu, spór fizyków wciąż trwa. O co chodzi?

Nowy numer kwartalnika Holistic News — nowa promocja!

Do 31 października możesz skorzystać z darmowej dostawy paczkomatem.
Wpisz kod HNEWS0 finalizując zakupy w Księgarni Holistic News