Ikertzaileek frogatu dute sistema kuantiko baten energiari buruzko arazo bat konpontzea erraza dela ordenagailu kuantikoentzat, baina zaila klasikoentzat.
Ordenagailu kuantikoak superpotentzia konputazional bihurtzear daude, baina ikertzaileek denbora asko daramate abantaila kuantiko bat emango lukeen arazo bideragarri baten bila, hau da, ordenagailu kuantiko batek bakarrik konpon dezakeen zerbaiten bila. Argudiatzen dutenez, orduan bakarrik joko da teknologia hori funtsezkotzat.
Hainbat hamarkadatan bila ibili dira. «Hein batean erronka bat da, ordenagailu klasikoak nahiko onak direlako egiten dituzten gauza askotan», azaldu du John Preskillek, Kaliforniako Teknologia Institutuko fisikari teorikoak.
1994an, Peter Shorrek aukera bat aurkitu zuen: zenbaki handiak faktorizatzeko algoritmo kuantiko bat. Shorren algoritmoa indartsua da, eta algoritmo klasiko guztiak gainditzen dituela uste da. Ordenagailu kuantiko batean exekutatzen denean, Interneteko segurtasun sistema asko apurtzeko ahalmena du, zenbaki handiak faktorizatzeko zailtasunaren mende baitaude. Baina hain harrigarria bada ere, algoritmoa ikerketa arloen zati txiki baterako baino ez da garrantzitsua, eta litekeena da bihar norbaitek makina klasiko batean zenbaki handiak faktorizatzeko modu efiziente bat aurkitzea, eta horrek Shorren algoritmoa eztabaidagarri bihurtuko luke. Shorren aplikagarritasun mugatuaren ondorioz, ikertzaileen komunitateak makina kuantikoen beste erabilera kasu batzuk bilatu ditu, aurkikuntza zientifiko berriak egiten benetan lagun dezaketenak.
«Ez dugu ordenagailu bat sortu nahi zeregin berezi baterako bakarrik», dio Soonwon Choik, Massachusettseko Teknologia Institutuko fisikariak. «Shorren algoritmoaz gain, zer gehiago egin dezakegu ordenagailu kuantiko batekin?».
Preskillek dioen moduan: «Klasikoki zailak diren arazoak aurkitu behar ditugu, baina orduan [erakutsi] beharko dugu metodo kuantikoak benetan efizienteak izango direla».
Batzuetan, ikertzaileek uste izan zuten lortu zutela, arazoak konpon zitzaketen algoritmo kuantikoak aurkituz, ordenagailu klasiko batek egin dezakeen edozer baino azkarrago. Baina gero, norbaitek (sarritan Ewin Tang ikertzaile gazteak) kuantikoak gaindi zitzaketen algoritmo klasiko berri eta adimentsuak asmatu zituen.
Orain, fisikari talde batek, Preskill barne, abantaila kuantikorako orain arteko hautagairik onena aurki zezakeen. Sistema kuantiko batzuen energia aztertzean, galdera espezifiko eta erabilgarri bat aurkitu zuten, makina kuantiko batentzat erantzuteko erraza dena, baina klasiko batentzat zaila. «Hori aurrerapen handia da algoritmo kuantikoen teorian», dio Sergey Bravyik, IBMko teorialari eta informatikariak. «Emaitza abantaila kuantiko bat da materialen zientzietarako eta kimikarako garrantzitsua den arazo baterako».
Ikertzaileak ere gogotsu daude lan berriak zientzia fisikoen ustekabeko arlo berriak aztertzearekin. «Gaitasun berri hori kualitatiboki [Shorrena] ez bezalakoa da, eta algoritmo kuantikoen munduan aukera berri asko ireki ditzake», dio Choik.
Arazoak sistema kuantikoek (normalean atomoek) hainbat energia egoeratan dituzten propietateekin du zerikusia. Atomoek egoeren artean salto egiten dutenean, haien propietateak aldatu egiten dira. Argi kolore jakin bat eman dezakete, adibidez, edo magnetiko bihurtu. Sistemaren propietateak hainbat energia egoeratan hobeto aurreikusi nahi baditugu, erabilgarria da sistema hain asaldatuta ez dagoenean ulertzea, zientzialariek oinarrizko egoera gisa definitzen duten horretan.
«Kimikari, materialen zientzialari eta fisikari kuantiko asko lanean ari dira oinarrizko egoerak aurkitzeko», azaldu du Robert Huangek, artikulu berriaren egileetako bat eta Google Quantum AI-ko ikertzaile zientifikoak. «Badakigu oso zaila dela».
Hain zaila da non, mende bat baino gehiagoko lanaren ondoren, ikertzaileek oraindik ez baitute aurkitu ikuspegi konputazional efizienterik sistema baten oinarrizko egoera zehazteko, lehen printzipioetatik abiatuta. Ez dirudi ordenagailu kuantiko batekin hori egiteko modurik dagoenik ere. Zientzialariek ondorioztatu dute sistema baten oinarrizko egoera aurkitzea zaila dela ordenagailu klasikoentzat zein kuantikoentzat.
Baina sistema fisiko batzuek panorama energetiko konplexuagoa dute. Hozten direnean, sistema konplexu horiek ez dira beren funtsezko egoeran finkatzen, baizik eta hurbileko eta energia maila baxuagoko batean, tokiko gutxieneko energia maila gisa ezagutzen dena. (2021eko Fisikako Nobel Sariaren zati bat sistema multzo horietako batean egindako lanagatik eman zen, spinezko beirak izenekoak). Ikertzaileek beren buruari galdetu zioten orduan ea sistema baten tokiko gutxieneko energia maila zehaztea ere unibertsalki zaila ote zen.
Erantzunak iaz hasi ziren sortzen, Chi-Fang (Anthony) Chenek, artikulu berriaren beste egile batek, termodinamika kuantikoa simula zezakeen algoritmo kuantiko berri bat garatzen lagundu zuenean (beroaren, energiaren eta lanaren eragina sistema kuantiko batean aztertzen duena). «Uste dut jende askok [ikertu] duela energia potentzialaren azalerak sistema kuantikoetan duen itxura, baina lehen ez zegoen hori aztertzeko tresnarik», dio Huangek. Chenen algoritmoak leiho bat irekitzen lagundu du sistema horiek nola funtzionatzen duten jakiteko.
Tresna berria zein indartsua zen ikusita, Huang eta Leo Zhouk, artikulu berriaren laugarren eta azken egileak, ordenagailu kuantikoek sistema baten tokiko gutxieneko energia egoera zehazteko modu bat diseinatzeko erabili zuten, oinarrizko egoera ideala bilatu beharrean; ikuspegi hori, hain zuzen ere, konputazio kuantikoan ikertzaileak bilatzen ari ziren galdera motan zentratzen zen. «Orain arazo bat dugu: tokiko energia kantitate bat aurkitzea, eta hori oraindik zaila da ikuspegi klasikotik, baina esan dezakegu kuantikoki erraza dela», dio Preskillek. «Beraz, horrek egon nahi dugun eremuan jartzen gaitu, abantaila kuantiko bat lortzeko».
Preskillek zuzenduta, egileek sistema baten tokiko gutxieneko energia egoera zehazteko beren ikuspegi berriaren ahalmena frogatzeaz gain (fisika kuantikoaren arloan aurrerapen handia), frogatu zuten azkenean arazo hori ordenagailu kuantikoek beren balioa frogatzeko modukoa zela. «Tokiko gutxieneko bat aurkitzeko arazoak abantaila kuantikoa du», ondorioztatu du Huangek.
Eta aurreko hautagaiak ez bezala, algoritmo klasiko berri batek ez dio aurre hartuko ziur asko. «Ez da oso litekeena deskuantifikatzea», dio Choik. Preskillen taldeak oso hipotesi onargarriak egin zituen eta arrisku logiko gutxi hartu zituen; algoritmo klasiko batek emaitza berdinak lor baditzake, fisikariek beste gauza askotan erratuta egon behar dutela esan nahi du. «Emaitza txundigarria izango da», dio Choik. «Poztu egingo nau ikusteak, baina txundigarriegia izango litzateke sinesteko». Lan berriak hautagai bideragarri eta etorkizun handikoa aurkeztuko du abantaila kuantikoa erakusteko.
Gauzak argi uzteko: emaitza berria teorikoa da oraindik. Ikuspegi berri hori gaur egun benetako ordenagailu kuantiko batean frogatzea ezinezkoa da. Denbora beharko da arazoaren abantaila kuantikoa zehatz-mehatz frogatzeko gai den makina bat eraikitzeko. Horregatik, Bravyirentzat, lana hasi besterik ez da egin. «Duela bost urte gertatutakoari erreparatzen badiogu, qubit gutxi batzuetako ordenagailu kuantikoak baino ez genituen, eta orain ehunka eta baita 1.000 qubiteko makinak ere baditugu», azaldu du. “Oso zaila da bost edo hamar urte barru zer gertatuko den aurreikustea. Eremu oso dinamikoa da”.
Jatorrizko artikulua:
Lakshmi Chandrasekaran (2024). Physicists Finally Find a Problem That Only Quantum Computers Can Do, Quanta Magazine, 2024ko martxoaren 12a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.