Przełom, który (na razie) nic nie zmienia. Czym jest „bezwarunkowa przewaga kwantowa”?

Świat obiegła właśnie informacja, która w kręgach fizyków i informatyków wywołała ogromne poruszenie. Zespół naukowców z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin i firmy Quantinuum ogłosił, że jako pierwszy w historii uzyskał „bezwarunkowy dowód” na przewagę kwantową.

To kamień milowy, na który czekano od dekad. Jest tylko jeden, fascynujący haczyk: ten przełom nie ma na razie żadnego praktycznego zastosowania i nie sprawi, że komputery kwantowe nagle zaczną rozwiązywać nasze codzienne problemy. Jednak to właśnie dlatego jest tak niezwykle ważny.

Od lat pojęcie „przewagi kwantowej” (lub „supremacji kwantowej”) rozpalało wyobraźnię. Rozumiano je prosto: to moment, w którym komputer kwantowy wykona zadanie obliczeniowe radykalnie szybciej niż najpotężniejszy superkomputer na świecie. Ostatnie ogłoszenie, którego szczegóły opublikowano w serwisie naukowym arXiv, dotyczy jednak czegoś zupełnie innego, znacznie bardziej subtelnego i, zdaniem ekspertów, fundamentalnie ważniejszego.

Alicja, Bob i kwantowa wiadomość

Aby zrozumieć wagę tego odkrycia, musimy na chwilę powrócić do klasycznej zagadki z udziałem dwójki fikcyjnych bohaterów, Alicji i Boba, którzy od lat pomagają fizykom wyjaśniać zawiłości świata kwantów. W uproszczeniu, eksperyment polegał na tym, że Alicja i Bob musieli wspólnie rozwiązać pewien problem, ale mogli komunikować się w bardzo ograniczony sposób – tylko Alicja mogła wysłać wiadomość do Boba.

Naukowcy udowodnili, że jeśli Alicja wyśle Bobowi wiadomość zapisaną w bitach kwantowych (kubitach), czyli wiadomość kwantową, Bob może rozwiązać problem przy użyciu nieporównywalnie mniejszej ilości informacji, niż gdyby wiadomość była klasyczna. Mówiąc obrazowo, jedna, niezwykle gęsta informacyjnie wiadomość kwantowa zastępuje całą lawinę informacji klasycznej.

Liczby mówią same za siebie. Aby rozwiązać postawiony problem, komputer kwantowy H1-1 firmy Quantinuum potrzebował zaledwie 12 kubitów. Najbardziej wydajny, klasyczny algorytm do tego samego zadania potrzebowałby aż 330 bitów. To nie jest przewaga w prędkości, a w gęstości i wydajności samej informacji.

Przesunięcie słupków bramki

Eksperci, tacy jak Bill Fefferman z Uniwersytetu w Chicago, określili ten wyczyn mianem „supremacji informacji kwantowej”. Zamiast ścigać się na czas, naukowcy udowodnili, że sama natura informacji kwantowej jest fundamentalnie inna i potężniejsza. Co najważniejsze, jest to dowód „bezwarunkowy”. Oznacza to, że jest on trwały i oparty na solidnych fundamentach matematycznych – żadne przyszłe ulepszenia w klasycznych algorytmach nie będą w stanie zniwelować tej przepaści.

„To prawda, że ich wynik jest bezwarunkowy, w tym sensie, że nie opiera się na nieudowodnionych założeniach” – powiedział Fefferman w rozmowie z serwisem Gizmodo. „To oczywiście wspaniała cecha tego nowego eksperymentu, ale jest ona dziedziczona przez to »przesunięcie słupków bramki«”.

Dlaczego niepraktyczność ma znaczenie?

I tu dochodzimy do sedna sprawy. Eksperyment, choć genialny w swojej prostocie i elegancji, nie rozwiązuje żadnego realnego problemu. Nie pomoże w projektowaniu leków, tworzeniu nowych materiałów ani łamaniu szyfrów. Dlaczego więc jest tak ważny?

Ponieważ jest powrotem do samych korzeni idei komputera kwantowego. Legendarny fizyk Richard Feynman, jeden z ojców tej koncepcji, nigdy nie myślał o maszynach kwantowych jako o szybszych kalkulatorach do rozwiązywania naszych problemów. Sugerował, że powinny one służyć przede wszystkim do jednego celu: do symulowania i zrozumienia samej mechaniki kwantowej. Miały być narzędziem do badania fundamentalnych praw Wszechświata, a nie do przyspieszania arkuszy kalkulacyjnych.

Ten eksperyment jest dokładnie tym – piękną, teoretycznie solidną demonstracją wykorzystania sprzętu kwantowego do badania samych koncepcji kwantowych. Udowadnia w sposób ostateczny, że świat rządzony prawami kwantów jest fundamentalnie inny od naszej codziennej, klasycznej intuicji.

W czasach, gdy od każdej technologii oczekuje się natychmiastowej użyteczności i monetyzacji, to odkrycie przypomina nam, że największe przełomy w nauce rodzą się z czystej ciekawości i dążenia do zrozumienia świata, a nie z pogoni za praktycznym zastosowaniem. Być może nie dało nam to jeszcze łatwych odpowiedzi, ale zadało znacznie ciekawsze pytania.

Kosmiczny szept potwierdza teorię Hawkinga. Najgłośniejsze zderzenie czarnych dziur w historii dowodzi, że Wszechświat gra według reguł