Kuuldused kvantüleoleku saavutamisest hakkasid levima juba enam kui kuu eest. Ajalehe The Financial Times ajakirjanikud märkasid nüüd ilmunud uurimuse mustandit NASA kodulehel. Kaasnenud meediakära mõjul eemaldati töö serverist ja Google keeldus täiendavate kommentaaride andmisest.

Kolmapäeval peetud pressikonverentsil teatas selle taga olev töörühm ametlikult, et on ehitanud esimese programmeeritava kvantarvuti, mis suudab lahendada vähemalt ühte kindlat ülesannet tavaarvutite mõistes võimatult kiiresti. Kui ühel praeguse aja kõige kiiremal superarvutil oleks kulunud selleks 10 000 aastat, siis kvantarvutil "Sycamore" võttis see vaid 200 sekundit. Algoritmi jooksutati 54 kvantbitist koosneval kiibil.

Uurimuse juhtivautor John Martinis viitas, et füüsikud on rääkinud kvantarvutite võimalikust ülimuslikkusest juba 1980. aastate keskpaigast. "Sellest ajast saadik on kulutatud ja kulutatakse nende ehitamiseks ja arendamiseks miljardeid dollareid. [...] Meie mõtlesime testida nii pea kui võimalik põhimõttelist ideed, kas kvantarvuti on tõesti niivõrd võimas. Selles kvantüleolek seisnebki. Võib-olla kõige lihtsama algoritmiga üldse näitame, et kvantarvutil on tõesti see vägi olemas," selgitas Martinis pressikonverentsil.

Kvantmaailma eripärad
Klassikalised arvutid koosnevad omavahel ühendatud transistoritest. Sõltuvalt nende olekust on infokildude ehk bittide väärtus 1 või 0. Sarnaselt koosneb binaarkoodist kvantarvutite väljastatav vastus. Seejuures jäljendavad aga kvantbitid aatomituumast väiksemat osakeste käitumist, mis allub tõenäosustel põhinevatele kvantmehaanika seaduspäradele.

Kvantbitid saavad olla omavahel põimitud, superpositsioonis ja interfereeruda. Neist ühe väärtuse mõõtmisel on sellega põimitud kvantbitt sellest momentaalselt "teadlik" asudes isegi valgusaastate kaugusel. Kvantbittide olek võib olla lisaks väärtusele 0 või 1 ka nende kombinatsioon ning osakesed ise käituda üksteist mõjutavate lainetena.

Tavamaailma loogikat eiravad omadused võimaldavad lahendada loetud sekunditega teatud ülesandeid, mis võtaksid tavaarvutitel miljoneid aastaid. Kvantarvutite praktiliste kasutusaladena nähakse näiteks hiiglaslikest andmebaasidest huvitava info otsimist või suurte arvude faktoriseerimist. Viimast kasutatakse praegu muu hulgas andmete krüpteerimiseks ja turvalahendustes.

Kuna universaalsed ja vigade jooksvat parandamist võimaldavad kvantarvutid nõuavad poolesaja kvantbiti asemel miljoneid kvantbitte, otsustasid Google'i insenerid ülimuslikkuse tõestamiseks 2016. aastal püstitatud lihtsama ülesande kasuks.

Teadlased tahtsid kontrollida, kui juhuslik on sellesama arvuti genereeritud 53-kohaline binaarkoodi jupp. Nende tekitamiseks tehakse kvantbittidega juhuslikke tehteid ehk kokku saab moodustada neist teoreetiliselt 2⁵³ erinevat kombinatsiooni. Kvantbittide interferentsi tõttu tuleb neist mõningaid ette veidi sagedamini. Piltlikult on tegu tinast valatud täringuga, mida visates saab veidi sagedamini numbri 6. Tulemuste täpse jaotuse väljaselgitamiseks jooksutati algoritmi arvutil miljon korda.

"Ühe kriitikana oleme palju kuulnud, et mõtlesime selle ebaloomuliku jõudlustesti ise välja ja (kvantarvuti) ei tee veel midagi kasulikku. Seetõttu võrdleme seda Sputniku (üleslennutamisega). Sputnik ei teinud ka väga palju. See tiirles ainult ümber Maa, kuid ometigi oli see kosmoseajastu algus," märkis Google'i tehnikadirektor Hartmut Neven.

Tavamaailma vastulöök?
Tulemuste kontrollimiseks kasutas töörühm ühte kõige võimsamat nüüdisaegset superarvutit "Summit". Arvuti teeb sekundis 200 kvadriljonit tehet ja selle võimsus küündib 13 megavatini. Kuna kvantüleoleku otsene tõestamine oleks võtnud töörühma arvutuste kohaselt 10 000 aastat, kasutas töörühm lühemaid numbrikombinatsioone ja tegi selle põhjal ennustusi.

Vaid mõni päev enne Google'i ametlikku teadet seadsid IBM-i insenerid väite kvantüleoleku saavutamisest küsimärgi alla. "Google'i eksperiment on suurepärane näide ülijuhtivusel põhinevate kvantarvutite vallas tehtud edusammudest, kuid seda ei tohiks näha tõendina, et kvantarvutid on klassikalistest arvutitest ülimad," viitasid nad oma edusamme kirjeldava tööga samaaegselt avaldatud blogipostituses.

Lisaks muutmälule ka kõvaketaste kasutamisega oleks saanud lahendada "Summiti" abil sama ülesande vaid 2,5 päevaga. Edasise optimeerimisega oleks võimalik saavutada nende sõnul veelgi paremaid tulemusi või pole kõige paremat klassikalist algoritmi veel lihtsalt leitud. Vahe kvant- ja tavaarvutite jõudluse vahel on seetõttu sedavõrd põhjapanevate järelduste tegemiseks liiga väike.

Google'i insenerid märkisid vastuses, et kvantarvutite riistvara paraneb jätkuvalt. Samuti kasvab nende võimekus iga täiendava kvantbiti lisandumisel eksponentsiaalselt. Isegi kui täiendava arendustöö mõjul tavaarvutid kvantarvutid uuesti kinni püüavad, jääb see vaid ajutiseks.

Arenguruumi jagub
Ühe peamise puudusena puudub ehitatud arvutil veel usaldusväärne mehhanism jooksvalt vigade parandamiseks. Algoritmi jooksutamiseks tarvilikku habrast kvantolekut võivad häirida juba väiksemadki vibratsioonid ja muutused keskkonna temperatuuris. Samuti mõjutavad kvantbitid kergesti ka neid naabreid, mille mõjutamine tarvilik pole.

Nõnda saab teha praegu kasulikke arvutusi ainult mõne murdosa sekundi jooksul. Kuigi Google'i insenerid leidsid lahenduse kvantbittide omavahelise suhtluse vähendamiseks, on selles vallas veel arenguruumi.

John Martinis märkis pressikonverentsil, et insenerid mõtlesid vigade parandamisele juba kiibi ehituse peale mõeldes. "Oleme suurema osa tööst juba ära teinud, et hakata tegema esimesi veaparanduseksperimente. Järgmise sammuna loodame hakata parandama ühe-kahe kvantbiti vigu. Loodetavasti suudame teha seda järgmise aasta jooksul," laiendas Martinis.

Suuremate kiipide puhul muutub see üha olulisemaks. Paari järgmise aasta jooksul loodab Google jõuda tema sõnul tuhandest kvantbitist koosneva arvutini.

Insener lisas, et plaanivad hakata tegema samas ajalises raamistikus ka esimesi n-ö kasulikke eksperimente näiteks keemiliste protsesside mudeldamiseks. "RSA (krüpteeringu) murdmiseks on tarvis meie hinnangul 100 miljonit füüsilist kvantbitti ja praegu oleme 53 juures, nii et see võtab veel mõned aastad. Seega on meil aega veel sellele mõelda ja selles osas midagi ette võtta," sõnas Martinis.

Uurimus ilmus ajakirjas Nature.