Κβαντικοί υπολογιστές: Οι ερευνητές υιοθετούν καινοτόμο μέθοδο για την ενίσχυση της ταχύτητας και της ακρίβειας των παραδοσιακών υπολογιστών.
Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν χαιρετιστεί ως μια τεχνολογία που μπορεί να ξεπεράσει τους κλασικούς υπολογιστές τόσο σε ταχύτητα όσο και σε χρήση μνήμης, ανοίγοντας ενδεχομένως το δρόμο για την πραγματοποίηση προβλέψεων φυσικών φαινομένων που δεν ήταν μέχρι σήμερα δυνατές.
Πολλοί θεωρούν ότι η έλευση της κβαντικής πληροφορικής σηματοδοτεί την αλλαγή παραδείγματος από την κλασική ή συμβατική πληροφορική. Οι συμβατικοί υπολογιστές επεξεργάζονται πληροφορίες με τη μορφή ψηφιακών bits (0 και 1), ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά bits (qubits) για την αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών σε τιμές μεταξύ 0 και 1. Υπό ορισμένες συνθήκες, αυτή η ικανότητα επεξεργασίας και αποθήκευσης πληροφοριών σε qubits μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό κβαντικών αλγορίθμων που ξεπερνούν δραστικά τους αντίστοιχους κλασικούς. Ειδικότερα, η ικανότητα των κβαντικών να αποθηκεύουν πληροφορίες σε τιμές μεταξύ 0 και 1 καθιστά δύσκολο για τους κλασικούς υπολογιστές να μιμηθούν τέλεια τους κβαντικούς υπολογιστές.
Προκλήσεις και λύσεις στον κβαντικό υπολογισμό
Ωστόσο, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ιδιότροποι και έχουν την τάση να χάνουν πληροφορίες. Επιπλέον, ακόμη και αν η απώλεια πληροφοριών μπορεί να αποφευχθεί, είναι δύσκολο να μετατραπεί σε κλασική πληροφορία – η οποία είναι απαραίτητη για να προκύψει ένας χρήσιμος υπολογισμός.
Οι κλασικοί υπολογιστές δεν υποφέρουν από κανένα από αυτά τα δύο προβλήματα. Επιπλέον, έξυπνα επινοημένοι κλασικοί αλγόριθμοι μπορούν να εκμεταλλευτούν περαιτέρω τη διπλή πρόκληση της απώλειας πληροφοριών και της μετάφρασης για να μιμηθούν έναν κβαντικό υπολογιστή με πολύ λιγότερους πόρους από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως -όπως αναφέρθηκε πρόσφατα σε μια ερευνητική εργασία στο περιοδικό PRX Quantum.
Τα αποτελέσματα των επιστημόνων δείχνουν ότι οι κλασικοί υπολογιστές μπορούν να αναδιαμορφωθούν ώστε να εκτελούν ταχύτερους και ακριβέστερους υπολογισμούς από τους κβαντικούς υπολογιστές τελευταίας τεχνολογίας.
Αυτή η σημαντική ανακάλυψη επιτεύχθηκε με έναν αλγόριθμο που διατηρεί μόνο ένα μέρος των πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες στην κβαντική κατάσταση – και μόνο τόσο ώστε να είναι σε θέση να υπολογίσει με ακρίβεια το τελικό αποτέλεσμα.
Γεφύρωση κλασικής και κβαντικής πληροφορικής
“Η εργασία αυτή δείχνει ότι υπάρχουν πολλές πιθανές διαδρομές για τη βελτίωση των υπολογισμών, που περιλαμβάνουν τόσο κλασικές όσο και κβαντικές προσεγγίσεις”, εξηγεί ο Dries Sels, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης και ένας από τους συγγραφείς της εργασίας. “Επιπλέον, η εργασία μας αναδεικνύει πόσο δύσκολο είναι να επιτευχθεί κβαντικό πλεονέκτημα με έναν κβαντικό υπολογιστή επιρρεπή σε σφάλματα”.
Αναζητώντας τρόπους βελτιστοποίησης των κλασικών υπολογιστών, ο Sels και οι συνάδελφοί του στο Ίδρυμα Simons επικεντρώθηκαν σε έναν τύπο τανυστικού δικτύου που αναπαριστά πιστά τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των qubits. Αυτοί οι τύποι δικτύων ήταν διαβόητα δύσκολο να αντιμετωπιστούν, αλλά οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα επιτρέπουν πλέον τη βελτιστοποίηση αυτών των δικτύων με εργαλεία δανεισμένα από τη στατιστική συμπερασματολογία.
Οι συγγραφείς συγκρίνουν το έργο του αλγορίθμου με τη συμπίεση μιας εικόνας σε ένα αρχείο JPEG, η οποία επιτρέπει την αποθήκευση μεγάλων εικόνων χρησιμοποιώντας λιγότερο χώρο, εξαλείφοντας πληροφορίες με ελάχιστα αντιληπτή απώλεια στην ποιότητα της εικόνας.
“Η επιλογή διαφορετικών δομών για το τανυστικό δίκτυο αντιστοιχεί στην επιλογή διαφορετικών μορφών συμπίεσης, όπως οι διαφορετικές μορφές για την εικόνα σας”, λέει ο Joseph Tindall του Ινστιτούτου Flatiron, ο οποίος ήταν επικεφαλής του έργου. “Αναπτύσσουμε με επιτυχία εργαλεία για την εργασία με ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών δικτύων τανυστών. Αυτή η εργασία το αντανακλά αυτό και είμαστε βέβαιοι ότι σύντομα θα ανεβάσουμε τον πήχη της κβαντικής πληροφορικής ακόμη περισσότερο”.
