Sciencemag.cz
Doporučujeme
Stroj času nebo ošálení druhého zákona termodynamiky? Teplem k rekonstrukci roztáté sněhové vločky. A prý by se to celé dokonce dalo využívat v praxi pro ověření funkčnosti kvantových algoritmů…
Následující text je prostě převyprávěním tiskové zprávy ze zdroje uvedeného níže. Týká se současně reverzibility času i kvantového počítání, my laici zde opět můžeme jen pokývat hlavou či pokrčit rameny. Celý výzkum provedli lidé z Moscow Institute of Physics and Technology (názvy ruských či čínských institucí je snad lépe ponechávat anglicky, pro snadnost dalšího dohledávání) a Argonne National Laboratory.
Již před rokem dokázali vědci ze stejného týmu, jak lze stav kvantového systému vrátit do minulosti. Mělo to ovšem celé jednu vadu: bylo potřeba se „podívat“ na konečný stav kvantového systému (respektive: stav qubitů kvantového počítače) a podle toho najít konkrétní způsob převodu zpět.
Nyní by stroj času měl fungovat i bez toho. (Poznámka: Samozřejmě zde každého napadne, že systém s pár qubity je mikrosvět, v něm je čas vratný, časová symetrie platí pro kvantovou fyziku. Proč by to tedy nemělo jít? Stav tří kulečníkových koulí můžeme také stejně dobře počítat do budoucnosti jako do minulosti. A co se vůbec myslí počátečním stavem? No, u kvantového počítače půjde možná o stav před spuštěním příslušného algoritmu a uvedením qubitů do superpozice.)
Kvantový počítač se dle autorů výzkumu obecně vyvíjí v souladu s druhým zákonem termodynamiky, tedy k růstu entropie, od řádu k chaosu. I tak ale už loni dokázali vědci přetočit čas v kvantovém počítači zpět, dokud se nedošlo do původního (maximálně?) uspořádaného stavu. Nejprve ale bylo třeba analyzovat konečný stav systému a podle toho najít způsob přetočení zpět – vyhledat příslušný algoritmus. Náročnost této analýzy rostla s počtem qubitů exponenciálně, čili v praxi by to šlo provést pouze pro nejmenší kvantové počítače – respektive na analýzu by bylo vždy potřeba mít počítač s mnohem více qubity (nebo ještě mnohem „větší“ superpočítač klasický). Nyní je novinkou algoritmus univerzální, který dokáže kvantový počítač převinout zpět bez toho, aby se na něj bylo třeba „dívat“.
Vše se dále přirovnává k tomu, že bychom v krabici nechali rozpustit nějakou konkrétní sněhovou vločku. Jak se teď od vody dostat zpět k původnímu tvaru? V klasickém světě vyloučeno, zde to kupodivu má jít. Stačí vzít krabici obsahující stejně molekul vody jako ta naše; nemusíme ale vůbec zkoumat, jak původní voda vypadá, a podle toho sestavovat „kopii“ – stačí „stejný počet stejného“ (poznámka: analogicky asi nějak jako – stačí vzít kvantový počítač o stejném počtu qubitů, stejně fyzicky reprezentovaných, bez ohledu na jejich konkrétní stav apod).
Dvojče pro nás představuje „pomocný systém“. Nyní provedeme následující sekvenci operací:
Termalizace: Zahřejeme dvojče na velmi vysokou teplotu
Separace: Odpojíme zásobník tepla
Manipulace: Mezi původním systémem a dvojčetem spustíme tzv. neúplnou kvantovou operaci SWAP (noncomplete quantum SWAP operation)
Opakování iterace 1-3
A když takto budeme postupovat, vločka v původní krabici nám zmrzne do původního tvaru… Kdo by to řekl!
Zde se jistě nabízí otázka, co vlastně je ten SWAP. A samozřejmě je divné, že k původnímu uspořádanému stavu se dostaneme tak, že budeme do systému dodávat teplo – „další chaos“. Hlavní autor výzkumu Andrey Lebedev připouští, že tohle je krajně divné i jemu. Pomocný systém opakovaně zahříváme na vysokou teplotu, abychom na konci postupu dostali konkrétní vločku (chladného, uspořádaného…) sněhu.
Autoři výzkumu navíc přišli i se vzorcem, který udává, kolikrát bude příslušný cyklus třeba provést pro návrat do nějakého stavu v minulosti (poznámka: takže do libovolného, nejen do nějakého definovaného počátečního)? Počet kroků ovšem i zde rychle roste v závislosti na složitosti systému a na tom, jak daleko se chceme vracet.
Pro malý počet qubitů by ale mohlo jít ověřit, zda celý postup funguje – pro kvantový počítač se dvěma qubity by stačilo 16 opakování cyklu (a více, dle požadované doby návratu), pro 3qubitový systém 64. To už by současnými technologiemi mělo být proveditelné, problém je ale např. v tom, že veřejně dostupný kvantový systém od IBM, který byl použit pro kontrolu loňské studie, nepodporuje termalizaci. (Poznámka: I zde tedy náročnost roste s počtem qubitů, ale zřejmě nějak méně, než kdybychom museli ještě analyzovat finální stav.)
To celé navíc nemá být jen podivnou teorií. Celý princip by se mohl dát využívat k tomu, abychom ověřili fungování určitého kvantového počítače, zda pracuje správně, zda poskytuje kvantovou nadřazenost atd. – bez toho, abychom k tomu potřebovali počítač ještě výpočetně silnější (a k tomu, abychom ověřili jeho správnost, zase…). Vůbec přitom nebude potřeba analyzovat samotný konečný stav (což může být i zcela fyzikálně neproveditelné vzhledem k počtu atomů ve vesmíru apod.; poznámka: konečný stav bude asi stav před úplným ukončením výpočtu, kolapsem vlnové funkce, odečítáním – už „klasických“ dat apod.; z toho už asi o běhu algoritmu nic moc nezjistíme). Postačí převinout vše zpět, a pokud se dostaneme do původního stavu, počítač (poznámka: nebo spíš konkrétní kvantový algoritmus?) pracuje správně. (Poznámka: i když jak to může dokázat, zda konkrétní algoritmus dělá, to co má? Což by se mělo, protože výše se uvádí, že se tím dá ověřit třeba i kvantová nadřazenost…)
A. V. Lebedev et al. Time-reversal of an unknown quantum state, Communications Physics (2020). DOI: 10.1038/s42005-020-00396-0
Zdroj: Moscow Institute of Physics and Technology/Phys.org
