Närbild på en Intel -datorplatta. Upphovsman:Steve Jurvetson
När flera forskargrupper runt om i världen tävlar om att bygga en skalbar kvantdator, frågor kvarstår om hur uppnåendet av kvantöverlägsenhet kommer att verifieras.
Kvantöverlägsenhet är termen som beskriver en kvantdators förmåga att lösa en beräkningsuppgift som skulle vara oöverkomligt svår för någon klassisk algoritm. Det anses vara en kritisk milstolpe inom kvantberäkning, men eftersom själva kvantaktivitetens natur trotsar traditionell bekräftelse, Det har gjorts parallella ansträngningar för att hitta ett sätt att bevisa att kvantöverlägsenhet har uppnåtts.
Forskare vid University of California, Berkeley, har precis vägt in genom att ge ett ledande praktiskt förslag som kallas slumpmässig kretsprovtagning (RCS) ett kvalificerat sigillmärke med tyngden av komplexitetsteoretiska bevis bakom. Slumpmässig kretsprovtagning är den teknik Google har lagt fram för att bevisa om den har uppnått kvantöverlägsenhet med ett 72-qubit datorchip som kallas Bristlecone, eller inte. presenterades tidigare i år.
UC Berkeley datorteoretiker publicerade sitt bevis på RCS som en verifieringsmetod i en artikel publicerad på måndag, 29 oktober, i tidningen Naturfysik .
"Behovet av starka bevis för kvantöverlägsenhet är underskattat, men det är viktigt att sätta fast det här, "sade studiens huvudutredare Umesh Vazirani, Roger A. Strauch Professor i elektroteknik och datavetenskap vid UC Berkeley. "Förutom att vara en milstolpe på vägen till användbara kvantdatorer, quantum supremacy är en ny typ av fysikaliska experiment för att testa kvantmekanik i en ny regim. Den grundläggande frågan som måste besvaras för alla sådana experiment är hur säker kan vi vara på att det observerade beteendet verkligen är kvant och inte kunde ha replikerats med klassiska medel. Det är vad våra resultat tar upp. "
De andra utredarna i detta dokument är Adam Bouland och Bill Fefferman, båda postdoktorer, och Chinmay Nirkhe, en doktorsexamen studerande, allt i Vaziranis teoretiska datorforskningsgrupp.
Investeringar i kvantvärme värms upp
Tidningen kommer bland accelererad aktivitet i regeringen, akademi och industri inom kvantinformationsvetenskap. Kongressen överväger National Quantum Initiative Act, och förra månaden, det amerikanska energidepartementet och National Science Foundation tillkännagav nästan 250 miljoner dollar i bidrag för att stödja forskning inom kvantvetenskap och teknik.
På samma gång, Lawrence Berkeley National Laboratory och UC Berkeley tillkännagav bildandet av Berkeley Quantum, ett partnerskap för att påskynda och expandera innovation inom kvantinformationsvetenskap.
Insatserna är höga när den internationella konkurrensen inom kvantforskning värms upp och behovet av allt mer komplexa beräkningar växer. Med sann kvantberäkning, problem som är opraktiska för även de snabbaste superdatorerna hittills kan vara relativt effektiva att lösa. Det skulle vara en spelväxlare inom kryptografi, simuleringar av molekylära och kemiska interaktioner och maskininlärning.
Kvantdatorer begränsas inte av traditionella 0:or och 1:or av en traditionell dators bitar. Istället, kvantbitar, eller qubits, kan koda 0s, 1s och varje kvantsuperposition av de två för att skapa flera tillstånd samtidigt.
När Google presenterade Bristlecone, den sa att det empiriska beviset för dess kvantöverlägsenhet skulle komma genom slumpmässig kretsprovning, en teknik där enheten skulle använda slumpmässiga inställningar för att bete sig som en slumpmässig kvantkrets. För att vara övertygande, det skulle också behöva finnas starka bevis på att det inte finns någon klassisk algoritm som körs på en klassisk dator som kan simulera en slumpmässig kvantkrets, åtminstone inom rimlig tid.
Upptäcka kvant accenter
Vaziranis team hänvisade till en analogi mellan utsignalen från den slumpmässiga kvantkretsen och en sträng slumpmässiga stavelser på engelska:även om stavelserna inte bildar sammanhängande meningar eller ord, de kommer fortfarande att ha en engelsk "accent" och kommer att känna igen annorlunda än grekiska eller sanskrit.
De visade att det verkligen är svårt för en klassisk dator att producera en slumpmässig utmatning med en "kvantexcent" genom en teoretisk konstruktion av teknisk komplexitet som kallas "värsta till genomsnittliga fallreduktion".
Nästa steg var att verifiera att en kvantanordning faktiskt talade med en kvantaccent. Detta bygger på Goldilocks-principen-en 50-qubit-maskin är tillräckligt stor för att vara kraftfull, men tillräckligt liten för att simuleras av en klassisk superdator. Om det är möjligt att verifiera att en 50-qubit-maskin talar med en kvantaccent, då skulle det ge starka bevis på att en 100-qubit maskin, vilket skulle vara oerhört svårt att simulera klassiskt, skulle göra det, också.
Men även om en klassisk superdator var programmerad att tala med en kvantexcent, skulle det kunna känna igen en infödd talare? Det enda sättet att verifiera högtalarens utsignal är genom ett statistiskt test, sa forskarna i Berkeley. Google-forskare föreslår att mäta graden av matchning med ett mått som kallas "skillnad mellan entropi". En cross-entropy-poäng på 1 skulle vara en perfekt matchning.
Den påstådda kvantanordningen kan anses bete sig som en idealisk kvantkrets med slumpmässigt brus tillagt. Fefferman och Bouland säger att cross-entropy-poängen kommer att intyga kvantaccentens äkthet förutsatt att bullret alltid tillför entropi till utmatningen. Detta är inte alltid fallet - till exempel om bullerprocessen företrädesvis raderar 0s över 1s, det kan faktiskt minska entropin.
"Om Googles slumpmässiga kretsar genereras av en process som tillåter sådana raderingar, då skulle korsentropin inte vara ett giltigt mått på kvantöverlägsenhet, "sa Bouland." Det är delvis därför det kommer att vara mycket viktigt för Google att fastställa hur dess enhet avviker från en verklig slumpmässig kvantkrets. "
Dessa resultat är ett eko av arbete som Vazirani gjorde 1993 med sin elev Ethan Bernstein, öppna dörren till kvantalgoritmer genom att presentera hastigheter med kvantdatorer som bryter mot en grundläggande datavetenskaplig princip kallad Extended Church-Turing-tesen.
Peter Shor från Bell Labs tog sitt arbete ett steg längre genom att visa att ett mycket viktigt praktiskt problem, heltalsfaktorisering, kan exponentiellt påskyndas av en kvantdator.
"Denna sekvens ger en mall för loppet att bygga fungerande kvantdatorer, "sa Vazirani." Quantum supremacy är en experimentell kränkning av den utökade Church-Turing-tesen. När det uppnåtts, nästa utmaning blir att designa kvantdatorer som kan lösa praktiskt användbara problem. "