Vědci pracují na přenesení vlastností kvantových počítačů do klasických počítačů

Skupina vědců z Univerzity v Linköpingu dokázala demonstrovat, jak funguje kvantový počítač, a podařilo se jim simuloval vlastnosti kvantového počítače v klasickém počítači. 

“Naše výsledky by měly být velmi významné pro určení, jak postavit kvantový počítač,” řekl profesor Jan-Åke Larsson. 

Švédsko, Evropa a další části světa investují velké prostředky a zaměřují výzkum na vytvoření superrychlých a výkonných kvantových počítačů. Do deseti let by měl být postaven švédský kvantový počítač, a EU označila kvantovou technologii za jeden ze svých hlavních projektů. 

V současné době máme málo užitečných algoritmů, které lze použít pro kvantové počítače. Přesto je tato technologie extrémně důležitá pro simulace biologických, chemických a fyzikálních systémů. Mnoho z nich je příliš komplexních pro nejvýkonnější počítače, které máme nyní. V počítači může bit mít hodnotu 0 nebo 1, ale kvantový bit může mít všechny hodnoty mezi nimi. To znamená, že kvantové počítače nemusí provádět tolik operací pro každou kalkulaci. 

Profesor Jan-Åke Larsson a jeho doktorand Niklas Johansson z Divize pro kódování informací na Oddělení elektrotechniky Univerzity v Linköpingu, zjistili, proč je kvantový počítač výkonnější než klasický počítač. Také se podívali na to, co se děje uvnitř kvantového počítače. 

Výsledky výzkumu byly publikovány v odborném časopise Entropy.

“Ukázali jsme, že hlavní rozdíl spočívá v tom, že kvantové počítače mají dvě stupně volnosti pro každý bit. Simulací dalšího stupně volnosti v klasickém počítači můžeme spustit některé algoritmy se stejnou rychlostí, jakou by dosáhly v kvantovém počítači,” říká Jan-Åke Larsson.

Tým vytvořil simulační nástroj nazvaný Quantum Simulation Logic, nebo QSL. Umožňuje jim simulovat provoz kvantového počítače na klasickém počítači. Quantum Simulation Logic má jednu specifickou vlastnost, a tou je jediná vlastnost, kterou má kvantový počítač a klasický počítač ne. Tou je jeden další stupeň volnosti pro každý bit, který je součástí výpočtu. 

“Každý bit má tedy dva stupně volnosti: lze jej srovnat s mechanickým systémem, ve kterém každá část má dva stupně volnosti – polohu a rychlost. V tomto případě se zabýváme výpočetními bity – které nesou informace o výsledku funkce, a fázovými bity – které nesou informace o struktuře funkce,” vysvětluje Jan-Åke Larsson.

Nástroj QSL byl použit týmem pro studium některých kvantových algoritmů, které jsou odpovědné za řízení struktury funkce. Mnoho z těchto algoritmů je stejně rychlých v simulacích, jako by byly v kvantovém počítači. 

“Výsledek ukazuje, že vyšší rychlost v kvantových počítačích pochází z jejich schopnosti ukládat, zpracovávat a obnovovat informace v jednom další informačním stupni volnosti. To nám umožňuje lépe pochopit, jak kvantové počítače fungují. Také by tato znalost měla usnadnit stavbu kvantových počítačů, protože víme, která vlastnost je nejvíce důležitá pro fungování kvantového počítače, jak se očekává,” říká Jan-Åke Larsson.

Tým také postavil fyzickou verzi s elektronickými součástkami. Použili brány, které jsou podobné těm v kvantových počítačích, a nástroj simuluje, jak kvantový počítač funguje. To může umožnit studentům a ostatním simulovat a pochopit, jak funguje kvantová kryptografie a kvantová teleportace, mezi jinými aspekty kvantových počítačů. 

Tento nový výzkum může přispět k rostoucímu propojení mezi kvantovým počítáním a umělou inteligencí. Jedním z těchto propojení je mapování funkcí. Další výzkum provedený IBM Research, MIT a Oxford vědci ukázal, že jakmile se kvantové počítače stanou výkonnějšími, budou schopny provádět mapování funkcí na vysoce komplexních datových strukturách, něco, co klasické počítače nemohou udělat. Mapování funkcí je důležité v rámci učení se na základě strojů, a může vést k více účinné umělé inteligenci, která by mohla identifikovat vzorce v datech, které klasické počítače nemohou detekovat. 

Jak se bude provádět více a více výzkumu v těchto oblastech, bude mezi nimi stále více propojení.