Sihirden biraz daha fazlası: Kuantum hesaplamanın sırrı olumsuzlukta yatıyor olabilir

Kuantum bilgisayarlar, ilaç keşfinden siber güvenliğe kadar birçok uygulama için büyük umut vaat ediyor. Ancak kuantum bilgisayarlara gündelik “klasik” bilgisayarlara göre üstünlük kazandıracak şeyin ne olduğunu bulmak zor bir sorundur. Cavendish Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar tarafından yürütülen yeni bir teorik çalışma, kuantum bilgisayarların güçlü hale getirilmesinin önceden varsayıldığından daha zor olduğunu gösterirken, onları gerçekte neyin çalıştırdığına dair şimdiye kadarki en net resmi sunuyor.

Araştırmada yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektuplarıkuantum hesaplaması için gerçekten yararlı olan kesin kuantum durumlarının belirlenmesine yardımcı olur. Aynı zamanda klasik bilgisayarlar için kolay olduğu bilinen kuantum hesaplamalarının sayısını da artırıyor; bu da kuantum cihazlarının bir avantaj sergilemek için daha yüksek bir çıtayla karşı karşıya olduğu anlamına geliyor.

Tüm sihirli durumlar yardımcı olmuyor

Kuantum hesaplamanın kalbinde bir tür “sihir” vardır. Kuantum bilgisayarları genellikle kuantum bitleri veya kubitlerle çalışır; bunlar, aynı anda iki durumda bulunabilen elektron veya atom gibi parçacıklardır. Herhangi bir klasik bilgisayardan daha iyi performans gösteren algoritmaları çalıştırmak için bu kübitlerin “sihirli durumlar” olarak bilinen özel başlangıç ​​konfigürasyonlarında hazırlanması gerekir. Bu durumlar hesaplama yakıtı görevi görür: Bunlar olmadan kuantum bilgisayarı geleneksel bir makineden daha iyi değildir.

Ancak yeni araştırma, bilim adamlarının tüm sihirli durumların eşit olmadığı konusundaki anlayışını genişletiyor. “Sihirli” görünen ve daha önce yararlı olduğu varsayılan birçok durumun hiçbir kuantum avantajı sunmadığı ortaya çıktı.

Ekip, bu işe yaramaz sihirli durumlar sınıfını tanımlayarak, kuantum bilgisayar gerektiren hesaplamalar ile hâlâ klasik olarak ele alınabilecek hesaplamalar arasındaki sınırı yeniden çiziyor.

Cavendish Laboratuvarı’ndaki Hitachi Laboratuvarı’ndan Dr. David Arvidsson-Shukur, “Kuantum bilgisayarların tam gücünü ortaya çıkarmak için sihrin gerekli olduğunu ancak yeterli olmadığını gösteriyoruz” dedi. “Eğer bir kuantum durumu sihir değilse, kuantum avantajı elde edemezsiniz. Ancak tek başına sihire sahip olmak, bir taneye sahip olduğunuzu garanti etmez. Resim bundan daha incelikli ve çok daha ilginç.”

Dirac’ın çerçevesi testi keskinleştiriyor

Hangi kuantum durumlarının, ekibin “yararlı” büyü olarak sınıflandırdığı şeye ve hangilerinin “yararsız” türde büyüye sahip olduğunu belirlemek için araştırmacılar, antimaddeyi öngören göreli kuantum denkleminin arkasındaki fizikçi olan Paul Dirac tarafından 1945’te Cambridge’de geliştirilen matematiksel bir çerçeveye yöneldiler. St John’s College’da çalışan Dirac, bağımsız olarak, MIT’den John Kirkwood tarafından on yıl önce ortaya atılana benzer bir dağılım oluşturdu ve bunun kullanılacağı matematiksel çerçeveyi oluşturarak fikri genişletti. Bu, Kirkwood-Dirac dağılımı olarak bilinmeye başlandı.

Çerçeve, kulağa paradoksal gelen bir kavramı içeriyor: ekibin kuantum hesaplama görevini çerçevelemek için kullandığı negatif olasılıklar. Tıpkı Dirac’ın bir zamanlar bir denklemin negatif çözümünün ciddiye alınması gerektiğini (sonunda antimaddenin keşfine yol açan bir teori) öne sürmesi gibi, ekip de Kirkwood-Dirac dağılımında negatif değerlerin ortaya çıkmasının anlamlı bir sinyal olduğunu gösteriyor.

Bu dağılım, belirli bir giriş kuantum durumu için hesaplama boyunca tamamen pozitif (veya sıfır) kaldığında, klasik bir bilgisayar kuantum hesaplamasını kolaylıkla simüle edebilir. Negatif değerler aldığında klasik simülasyon katlanarak zorlaşır ve gerçek bir kuantum avantajı ortaya çıkabilir.

Araştırmanın başyazarı ve Dirac’ın çalıştığı Cavendish Laboratuvarı ve St John’s College’da Profesör Crispin Barnes’ın grubunda doktora öğrencisi olan JJ Thio, “Aslında bu sihirli karışıma yeni bir içerik katıyoruz: Kirkwood-Dirac olumsuzluğu” dedi. “Fikir olasılıklar üzerine kurulu – örneğin yazı tura atarken tura gelme olasılığı – ama bir farkla: Negatif olabilirler. Ve bu negatif ‘olasılıklar’ kuantum bilgisayarın klasik muadilinden daha iyi performans göstermesi için de gereklidir.”

“Bu dağıtım, hangi kuantum durumlarının klasik bilgisayarlar tarafından verimli bir şekilde simüle edilebileceğini haritalamak için daha katı, daha kesin bir çerçeve sağlıyor.”

Daha geniş bir klasik sınır

Thio, teorilerini göstermek için öğrenci arkadaşı Rishi Goel ile birlikte çalışarak standart bir dizüstü bilgisayarda çalışan ve daha önce kuantum bilgisayar gerektirdiği düşünülen hesaplamaları gerçekleştiren klasik bir simülasyon programını tamamladı. Sonuç, klasik sınırın önceden düşünülenden daha büyük olduğunun doğrudan bir göstergesidir.

Bu bulgular önemlidir çünkü dünya çapında hükümetler ve özel şirketler tarafından kuantum bilişime milyarlarca lira yatırım yapılmaktadır. Ancak kuantum bilgisayarların pratik değeri olan görevlerde klasik makinelerden ne zaman daha iyi performans göstereceği konusunda hala gerçek bir bilimsel belirsizlik var.

Cambridge ekibi, klasik bilgisayarların yapabileceklerinin sınırlarını zorlayarak, gerçek bir kuantum avantajı oluşturacak şey için daha net ve daha kesin bir eşik oluşturulmasına yardımcı oluyor. Arvidsson-Shukur, “Bu tür temel çalışmalar olmadan, bir kuantum cihazının gerçekten klasik erişimin ötesinde bir şeye ulaşıp ulaşmadığını asla bilemeyeceğiz” dedi.

Ekip, sonuçların hem kuantum yazılımının tasarımına hem de büyük ölçekli kuantum bilgisayarların yapımında en büyük mühendislik zorluklarından biri olmaya devam eden sihirli durumların üretimine rehberlik edeceğini umuyor.

Kuantum Bilgisi ve Bilgisayar Bilimi Ortak Merkezi’nden (Maryland, ABD) Dr. Nicole Yunger Halpern, “Bu yararlı sihirli durumları ne kadar iyi tanımlayabilirsek, onları o kadar iyi üretebilir ve uygulayabiliriz” dedi. “Bazılarımız yıllardır Kirkwood-Dirac olumsuzluğunun bu hedefe yardımcı olabileceğini tahmin ediyorduk ve grubun nihayet olumlu yanıt vermesine sevindim.”

Bu yeni çalışma, alanı, kuantum bilgisayarlara potansiyelini neyin kazandırdığına dair tam bir anlayışa bir adım daha yaklaştırıyor; bu soru onlarca yıldır süren araştırmalara rağmen hala cevapsız kalıyor.