Kvantiniai kompiuteriai įrodė geometrines teoremas

Įsivaizduokite blizgantį lustą, atvėsintą beveik iki absoliutaus nulio, virpantį trapiais kvantiniais būviais ir, netikėtai, atliekantį geometrinį uždavinį. Tai nėra mokslinės fantastikos rekvizitas. Tai 121 qubito superlaidus procesorius, valdomas Zhejiang ir Tsinghua universitetų komandos, ir jis buvo panaudotas atlikti mašiniškai tikrinamus dviejų geometrinių teoremų įrodymus, viena iš jų yra vadovėlinis teiginys apie kvadratą, kita yra logikos užduotis iš 1978 metų Tarptautinės matematikos olimpiados.

Tai nėra apie mašiną, kuri atsitiktinai atrado netikėtą sprendimą. Tyrėjai jau žinojo, kaip turėtų atrodyti teisingi išvados. Greitis taip pat nebuvo pagrindinis akcentas; klasikiniai kompiuteriai šiuo atžvilgiu lenkia kvantinį įrenginį pagal gryną našumą. Tikrasis pasiekimas yra filosofinis: matematinės logikos grandinės buvo realizuotos ir vykdomos pačioje kvantinėje įrangoje.

Pradėkime nuo paprasto uždavinio. Pirmasis testas patikrino kvantinę algebrinę aparatūrą: nubrėžti kvadratą, sujungti įstrižaines ir parodyti, kad jos susikerta stačiu kampu. Tam komanda naudojo hibridinę strategiją, pagrįstą klasikiniu Wu metodu algebrinėje geometrijoje, perrašytą taip, kad kvantiniai grandynai galėtų atstoti algebrinius veiksmus. Trumpi grandynai siūlė transformacijas. Matavimai jas tikrino. Žingsnis po žingsnio procesorius įvykdė algebrinį įrodymą.

Antras iššūkis buvo sudėtingesnis. IMO stiliaus geometrinis uždavinys su kertančiais ratais ir trikampiais reikalavo sudėtingesnių simbolinių manevrų. Čia tyrėjai taikė simbolinį įrodymų paieškos metodą, kuriame kvantiniai grandynai siūlė galimus žingsnius, taikė transformacijų taisykles ir vertino, ar tie žingsniai pažengia argumentą į priekį. Galvokite apie grandynus kaip apie eksperimentinius mokinius: atlikite ėjimą, patikrinkite jį ir palikite, jei jis padeda.

Kodėl tai svarbu? Nes tai rodo, kad kvantiniai įrenginiai gali daryti daugiau nei spartinti aritmetiką ar simuliuoti chemines reakcijas. Juos galima suprojektuoti taip, kad manipuliuotų abstrakčiomis formulėmis ir loginėmis grandinėmis. Tai keičia įprastą požiūrį į kvantinius procesorius kaip vien tik specializuotus skaičiavimo įrankius. Tinkamai užkoduoti kubitai gali nešioti ir tikrinti loginę išvadą, net susidūrę su triukšmu ir nestabilumu, kurie ilgą laiką trukdė laikyti tokius kodavimus praktiškais.

Yra svarbių atsargumo pastabų. Įrodymai buvo stipriai vedami žmonių parengtų gairių, o klasikinės sistemos šiose užduotyse išlieka daug greitesnės ir patikimesnės. Tačiau šis eksperimentas demonstruoja, kad loginės įrodymų struktūros gali būti atvaizduotos ant kvantinės įrangos ir eksperimentaliai įvykdytos. Kylant kubitų skaičiui ir tobulėjant klaidų taisymui, hibridiniai klasikiniai ir kvantiniai teoremų įrodymo įrankiai gali pereiti nuo smalsių demonstracijų prie praktinių priemonių, leidžiančių tirti įrodymus naujais būdais.

Kurią ilgai nagrinėtą problemą toliau, dalimis, stums kvantinis grandynas? Dabar šis klausimas atrodo mažiau spekuliatyvus nei prieš kelerius metus.