Der har været flere påstande om kvantecomputere, der optræder på et niveau umuligt at matche med en klassisk computer – hvoraf de fleste er blevet tilbagevist. Kunne der være en matematisk grund til, at dette fortsætter med at ske?
En model af en kvantecomputer
I 2019 hævdede Google, at dens kvantecomputer, Sycamore, kunne gennemføre beregninger, der ville tage 10.000 år at køre på verdens førende supercomputer – en bedrift med “kvanteoverherredømme”. Sidste år tilbageviste andre forskere imidlertid Googles krav ved at gennemføre en af beregningerne på en konventionel computer på kun 14,22 sekunder. Uforbundet fremsatte Google et andet krav om kvanteoverherredømme for et par måneder siden med en ny kvantecomputer kaldet Willow. Virksomheden vurderede, at en førende supercomputer ville kræve 10 septillion år for at matche Willow. Men om denne påstand om kvanteoverherredømme vil være tid, gjenstår at se.
”Jeg tror, at juryen stadig er slags derude,” siger Bill Fefferman ved University of Chicago. Han og hans kolleger har tidligere brugt traditionelle eller klassiske computere til at undersøge påstande om kvanteoverherredømme, men han siger, at han ikke ser en klar vej til at gøre det i tilfælde af Willow. Når det er sagt, er matematiske argumenter til fordel for kravet, der står for evigt, også uklare.
Googles team er ikke den eneste, der har fremsat et kvantes overherredømme i de senere år. Så har forskere på kvantecomputing-start-ups Quantinuum og Xanadu, og på University of Science and Technology of China-selvom alle sådanne påstande siden er blevet undergravet, med undtagelse af Willow og Quantinuum.
Alle påstande om kvanteoverherredømme involverer opgave en kvantecomputer med at verificere, at en prøve af tal, der udsendes med et kvantekredsløb eller en række beregningsmæssige operationer, har en virkelig tilfældig distribution – en test, der ofte kaldes “RCS” eller tilfældig kredsløbsprøveudtagning.
I flere år har Fefferman og hans kolleger forsøgt at bevise nøje, at RCS virkelig er matematisk hårdt for klassiske computere, men ikke kvante. Dette ville tilføje tro til Quantum Computing Industry’s accept af RCS som en god kvanteoverherredømme benchmark.
I 2018 var han og hans kolleger i stand til at give stærke matematiske beviser for, at RCS faktisk er forbløffende svært at simulere på klassiske computere – faktisk næsten lige så hårdt som den vanskeligste sag, som matematikere er enige om. Men da Googles kvante overherredømme på 2019 faldt, indså Fefferman og hans kolleger, at deres analyse var ufuldstændig, forklarede han den 17. marts på American Physical Society Global Physics Summit i Californien. ”Vores arbejde var interessant fra et teoretisk synspunkt, men det tog virkelig ikke højde for, hvad jeg ser som det vigtigste potentielle advarsel med disse eksperimenter, hvilket er, at de har så meget støj,” siger Fefferman.
For eksempel producerede Quantinuums kvantecomputer, der krævede kvanteoverherredømme i 2024, resultater uden at begå en enkelt fejl kun ca. 35 procent af tiden. De fejl, det gjorde resten af tiden – for eksempel på grund af forstyrrelser fra dets miljø – er den støj, som Fefferman siger, er skylden for nederlaget for så mange kvante overherredømme. ”Når vi virkelig forstår disse eksperimenter med hensyn til realistisk støj, er vi klar over, at støjen dræber en masse af kvantefordelen, og eksperimenterne kan ofte simuleres (på klassiske computere) på en overraskende kort tid,” siger han.
Efterhånden som kvantecomputere bliver større og mindre støjende, kan der være en “Goldilocks Zone” af slags, hvor eksperimenter som RCS forbliver uovervindelige, selvom de ikke er blevet bevist strengt som sådan, siger Fefferman. Han siger, at for at komme med den stærkeste udsagn om, hvad der udgør en perfekt kvantetest, er vi muligvis nødt til at vente på, at kvantecomputere bliver “fejltolerante” eller i stand til at fange og rette alle deres fejl.
Vi er måske ikke der endnu, men Sergio Boixo hos Google er overbevist om, at støjproblemet ikke vil undergrave påstanden om, at Willow har opnået kvanteoverherredømme. Han siger, at Willow er stor nok og bruger kvantekredsløb, der omfatter så mange operationer, at “omkostningerne ved klassisk simulering ville være upraktisk høje, hvilket sikrer, at eksperimentet aldrig vil blive simuleret”.
Efter Feffermans opfattelse er det vigtigste, at den cyklus, hvor kvante- og klassiske computere konstant stræber efter at overgå hinanden, fortsætter. Hvert nyt kvantes overherredømme, uanset om det er tidens test eller ej, bringer os tættere på at forstå nøjagtigt, hvordan kvantecomputere adskiller sig fra deres traditionelle kolleger, siger han.
Der har allerede været en praktisk sejr for kvantecomputere: Sidste måned brugte et team af forskere en kvantinuum -kvantecomputer sammen med en traditionel supercomputer til at udnytte RC’er til en ny måde at producere certificerede tilfældige tal, hvilket kan være nyttigt til kryptografi og sikker kommunikation. Og Googles Willow regerer stadig kvantehøjeste.