Googlov kvantni računalnik je in ni 100-milijonkrat hitrejši od klasičnih

Lov na prvi komercialni kvantni računalnik, s katerim se bo dalo izračunati kaj bolj uporabnega od faktorjev števil 143 in 56153, še vedno traja. In vsakokrat znova pridemo do kvantnega računalnika, ki ga je razvilo podjetje D-Wave, in sta ga kupila NASA in Google v konzorciju. Še vedno se namreč krešejo mnenja, ali je omenjeni računalnik v resnici kvantni ali ne, kjer se odgovor nagiba v prvo smeri. Dosti manj pa je jasen odgovor na vprašanje, ali je sploh kaj hitrejši od klasičnih računalnikov. Če karikiramo: v rokometu je bistveno hitrejši od slovenske nogometne B-reprezentance.

Kvantni računalnik D-Wave ni realizacija univerzalnega kvantnega računalnika, temveč uporablja tako imenovano kvantno ohlajanje (quantum annealing), ki je kvantna ustreznica simuliranega ohlajanja. Gre za reševanje problemov z izkoriščanjem termodinamičnih zakonov. Sistem se pri visoki temperaturi zlahka nahaja v različnih stanjih, ko ga ohladimo, pa se pomakne v stanje z najnižjo energijo. Ime je dobil po žarjenju kovin (annealing), kjer izkoriščamo isti pojav. Pri počasnem ohlajanju se sistem pomakne v najugodnejšo lego. Problem, ki ga želimo reševati, moramo formulirati tako, da je v danem okolju njegova rešitev stanje z najnižjo energijo. Kaj je "temperatura", kaj "sistem" in kaj "rešitev", je stvar formulacije problema, torej njegove predstavitve v kvantnem računalniku, in ni trivalno.

Simulirano ohlajanje ima težavo, ki je skupna tudi nekaterim drugim klasičnim algoritmom. Lahko se namreč zgodi, da se zatakne v lokalnem minimumu, kadar ga ohladimo prehitro ali kadar je topografija okolice neugodna. Če je minimum obdan z visokimi potencialnimi barierami, se sistem ne bo nikoli premaknil čeznje v globalni minimum. Zato je treba včasih sprejeti tudi premik v stanje z višjo energijo, v upanju da bomo tako locirali resnični minimum.

Kvantno ohlajanje želi uporabiti lastnost kvantnih delcev, da lahko prehajajo skozi potencialne ovire, ki so za klasične delce neprehodne. Tuneliranje delcem omogoča prehod ovire, čeprav nimajo dovolj energije, da bi se povzpeli čeznjo.

D-Wave je torej adiabatni kvantni računalnik, ki uporablja kvantno ohlajanje, kar pa še ne pomeni, da ni kvantni računalnik. Googlova ekipa je ta teden razkrila zadnje dosežke na tem področju, kjer so se neskromno pohvalili, da je njihov kvantni računalnik D-Wave 10⁸-krat hitrejši od klasičnih. A najava ima pomembno podčrtno opombo. To velja v primerjavi s klasičnim simuliranim ohlajanjem (obstajajo pa tudi drugi, hitrejši algoritmi!) na problemu, ki je prilagojen posebej D-Wavu.

Resnično je D-Wave kvantni računalnik. Njegovi kubiti so organizirani v skupke po osem kubitov, znotraj katerih je močna korelacija (torej lahko osem kubitov hkrati tunelira), med skupki pa je korelacija šibka. A glavno vprašanje je - je hitrejši?

Znanstveniki z ETH Zürich so spisali odziv, v katerem so pregledali novosti na tem področju in analizirali, kaj je Googlu uspelo in kaj najverjetneje še ne. Podpirajo navedbe, da je D-Wave kvantni računalnik, a poudarjajo, da še ni pokazal kakšne resne uporabne prednosti pred nekvantnimi algoritmi in da še ni dokazal, da je hitrejši.

Google je včeraj izdal še rokopis znanstvenega članka svoje ekipe, ki ga bodo poslali tudi v eno izmed revij. V njem so pošteno povedali, kaj so v resnici pokazali in da obstajajo klasični algoritmi, ki so enako hitri kot D-Wave. Komur je članek preveč strokoven, si lahko pogleda malce poljudnejšo razlago Scotta Aaronsona ali še bolj poljuden intervju z njim. Skratka - D-Wave je 10⁸-krat hitrejši od simuliranega ohlajanja. Tu je pospešek asimptotičen. Od kvantnega Monte Carla (to je še en klasičen algoritem) je D-Wave na posebnem problemu (Chimera graph) tudi hitrejši, a zgolj do konstante. Torej, tudi tu je 10⁸-hitrejši, a razlika ne raste z velikostjo problema, temveč ostane enaka - asimptotično obnašanje je enako. Selbyjev algoritem pa je enako dober kot D-Wave.

Kaj lahko iz tega zaključimo? Kvantno računanje je težko. Tako težko, da za zdaj nimamo kvantnega računalnika, ki bi bil hitrejši od najboljšega klasičnega algoritma za izbrani problem. In tudi ko ali če ga bomo imeli, bo verjetno specializiran za točno določeno vrsto problemov. Predvsem pa je zaradi narave kvantnega računalništva pričakovati, da jih bomo uporabljali tam, kjer potrebujemo dovolj dobre rešitve težkih problemov in ne eksaktnih.