Bitcoin Magazine
Wydanie kwantowe: Nigdy tak naprawdę nie znasz przyszłości
Od ponad dekady toczy się debata, czy komputer kwantowy stanowi realne zagrożenie dla sieci Bitcoin. Był to poważny temat rozmów już ponad 13 lat temu, gdy sam po raz pierwszy odkryłem Bitcoina.
Od tamtych odległych czasów, gdy byłem po prostu nieporadnym niezdarą próbującym pojąć, co się tu dzieje, dokonał się całkiem spory postęp — zarówno w teorii, jak i w praktycznej inżynierii.
Od tego czasu osiągnięto dwa ważne kamienie milowe, które realnie zmieniają prawdopodobieństwo, że w ciągu najbliższej dekady czy około tego faktycznie powstanie zdatny komputer kwantowy. Nie oznacza to samo w sobie, że osiągnie on powszechność ani nawet względną łatwość dostępu dla tych, którzy dysponują dużym kapitałem.
Ale jest bardzo możliwe, że w niedalekiej przyszłości powstanie pewna liczba zdatnych maszyn.
Postępy w korekcji błędów
Pierwsze duże usprawnienie dotyczyło korekcji błędów. Aby uwzględnić szum nieodłączny w pracy z obiektami w tak maleńkiej skali, uzyskanie logicznego kubitu, który jest praktycznie użyteczny w obliczeniach, wymaga zastosowania wielu nadmiarowych kubitów fizycznych.
Dotychczas najnowocześniejszym sposobem robienia tego były kody powierzchniowe — sposób łączenia wielu kubitów fizycznych w siatkę i wykorzystywania niektórych z nich jako kubitów kontrolnych, które okresowo „sprawdzają” swoich sąsiadów, aby upewnić się, że w superpozycji nie wystąpiły wewnętrzne błędy (bez powodowania jej kolapsu). Każde puste miejsce w siatce trzeba wypełnić kubitami kontrolnymi.
Ten wymóg dotyczący kubitów kontrolnych tworzy dodatkowy narzut, który w sumie może zbliżać się do 1,000 kubitów fizycznych na jeden kubit logiczny, a na dużą skalę robi się z tym źle, ponieważ kubity kontrolne mogą sprawdzać tylko kubity znajdujące się bezpośrednio obok nich. Dlatego każde ugrupowanie kubitów musi mieć kontrolery rozmieszczone w równych odstępach.
Kwantowe kody kontroli parzystości o niskiej gęstości (qLDPC) usuwają to wąskie gardło, pozwalając kubitom kontrolnym sprawdzać inne kubity na dużych odległościach (albo za pomocą splecionych ścieżek komunikujących się między sekcjami układu, albo przez fizyczne przemieszczanie atomów, jak w konstrukcji z atomami neutralnymi) w obrębie całego urządzenia. Pozwoliło to na 10x zmniejszenie liczby kubitów fizycznych potrzebnych do wytworzenia niezawodnego kubitu logicznego.
A to nie byle co. Choć może nie jest to jeszcze w pełni funkcjonalna maszyna, która robi postępy w zwiększaniu wydajności, to jednak są to realne zyski wydajności w procesach inżynieryjnych leżących u podstaw produkcji w pełni funkcjonalnego komputera kwantowego.
Postępy w dowodzeniu podstaw
Drugi wiąże się z bardziej fundamentalnym pytaniem wokół twierdzenia, że dodawanie kolejnych kubitów fizycznych prowadzi do zmniejszenia, a nie do zwiększenia ogólnego szumu w systemie. Na tym etapie to w istocie wciąż teoria i trzeba pamiętać, że do dziś nigdy nie istniał w pełni funkcjonalny komputer kwantowy, który od początku do końca wykonałby obliczenie, do jakiego nie jest zdolny komputer klasyczny.
Google przeprowadził eksperyment z użyciem swoich układów Sycamore (a później Willow), aby doświadczalnie zweryfikować efekt dodawania kolejnych kubitów fizycznych. Żeby było zupełnie jasne — nie była to demonstracja wykonywania obliczeń, lecz jedynie demonstracja przechowywania informacji w pamięci bez jej zaniku.
Za pomocą kubitów logicznych złożonych z wiązki 17 kubitów fizycznych, wiązki 49 kubitów fizycznych oraz wiązki 101 kubitów fizycznych wykazali, że logiczny współczynnik błędów — częstość uszkodzeń danych — malał wraz ze wzrostem liczby kubitów fizycznych. Ten test przekroczył krytyczny próg, przy którym kubit logiczny tworzony z niezależnych kubitów fizycznych zachowywał koherencję dłużej niż jakikolwiek pojedynczy kubit fizyczny, z którego był złożony.
Znów, nie jest to skok do w pełni funkcjonalnego komputera kwantowego wykonującego obliczenia, do jakich maszyny klasyczne nie są zdolne, ale jest to realny postęp dowodzący jednego z fundamentalnych założeń leżących u podstaw komputerów kwantowych.
SI
I nie są to jedyne rzeczy, dla których znajdujemy lepsze rozwiązania w tej dziedzinie problemów. Sztuczna inteligencja stała się ważnym elementem tych systemów. Jest wykorzystywana w samym procesie odczytywania i dekodowania informacji z komputera kwantowego — dużym wąskim gardle, jeśli chodzi o rzeczywiste wykorzystanie go na dużą skalę.
SI jest też wykorzystywana przy tworzeniu nowych algorytmów kwantowych zoptymalizowanych pod kątem tego rodzaju maszyn, a wobec niedawnej fali przypadków, w których SI pomaga rozwiązywać (albo wręcz obalać istniejące hipotezy) wielkie problemy w dziedzinie matematyki, rozważanie możliwości przełomów dokonanych za sprawą SI nie jest wcale aż tak szalonym krokiem.
Wykorzystuje się ją w tym samym celu przy faktycznym projektowaniu fizycznych obwodów kwantowych budowanych w różnych architekturach. To w istocie bardzo złożony problem: znalezienie optymalnego sposobu rozmieszczenia bramek kwantowych w przestrzeni fizycznej, tak aby zminimalizować szum na poziomie kwantowym, nie tworząc przy tym tak wiele pustej przestrzeni, że wprowadza się opóźnienia, nieefektywność i kolejne problemy do rozwiązania.
To czynnik, który mógłby bardzo dobrze niepomiernie przyspieszyć postępy w rozwiązywaniu niezbędnych fundamentalnych problemów.
Spojrzenie w przyszłość
Ostatecznie, moim zdaniem, sprowadza się to do jednego pytania: czy założenie, że dodawanie kolejnych kubitów fizycznych redukuje szum, faktycznie się utrzymuje, gdy chodzi o obliczenia i aktywne manipulowanie informacją kwantową?
Jeśli to założenie się utrzyma i nie zostanie doświadczalnie obalone w niedalekiej przyszłości, to sądzę, że istnieje bardzo realny scenariusz, w którym zdatny komputer kwantowy powstanie w ciągu najbliższych dziesięciu lat.
Na ten problem rzuca się ogromne zasoby, jest znaczący (choć nie przytłaczający) postęp w rozwiązywaniu jego fragmentów, a jeśli fundamentalnie istnieje sposób, by coś zrobić, ludzie zwykle na niego wpadają.
Nie mówię, że pora panikować, ale nie lekceważcie tej możliwości.
Ten materiał ukazuje się w najnowszym wydaniu drukowanym Bitcoin Magazine, wydaniu kwantowym. Udostępniamy go tutaj jako wczesną zapowiedź idei zgłębianych w całym numerze.
Ten wpis Wydanie kwantowe: Nigdy tak naprawdę nie znasz przyszłości pojawił się najpierw na Bitcoin Magazine i został napisany przez Shinobi.
Źródło: BitcoinMagazine
