A kvantum számítógépek áttörést ígérnek az összetett feladatok megoldásában, de fejlesztésük még mindig korai szakaszban van. A közelmúltban arról beszéltek, hogy a kvantumfelsőség olyan mérföldkő, amelyet a Google a hírek szerint a közelmúltban átlépett. De mit jelent ez?
A kvantumuralmi kísérletek szigorúan megpróbálják megválaszolni a kérdést: A kvantum számítógépek valóban alapvetően erősebbek, mint a klasszikus számítógépek? A természetes módszer az lenne, ha megmutatnánk, hogy egy kvantum számítógép nagy számot képes tényezőkre bontani (faktorizálás például: 15 = 5 × 3, csak nagyobb számokkal). Az informatikusok úgy vélik, hogy ez a feladat nehéz a hagyományos számítógépek számára, és a jelenlegi titkosítás nagy része ezen a bonyolultságon alapszik. A faktorizálás azonban "könnyű" a kvantum számítógépek számára, és Shor algoritmusa segítségével megoldható. A legfrissebb becslések szerint egy ilyen kísérlethez körülbelül 20 millió quit (kvantumbit) és nagyon pontos műveletek szükségesek [1].
Sajnos (vagy szerencsére) a kvantum számítógépek messze vannak ilyen számítástól. Ezért a tudósok már évek óta olyan számításokat kerestek, amelyek nagyon nehézek lennének a klasszikus számítógépek számára, de megoldhatók több tíz kvittel és viszonylag kis számú művelettel egy kvantum számítógépen. Számos ilyen probléma létezik, de a legígéretesebbek az úgynevezett véletlen kvantum áramkörök [2-5].
A probléma a következő: Először véletlenszerűen választunk ki egy kvantumprogramot (áramkört) egy adott számú kvittel és elemi művelettel, és nulla bemenetet adunk neki. Feladatunk, hogy mintákat állítsunk elő ugyanabból az eloszlásból, mint egy ilyen kvantumkör mérése után. A kvantum véletlenszerű áramkörök viszonylag egyszerű feladat a kvantum számítógépek számára, mert egy ilyen program könnyen futtatható rajtuk. Szigorúan kimutatható, hogy ésszerű feltételezésekkel ez a probléma nehéz lesz a klasszikus számítógépek számára [2-5]. Ezenkívül kimutatható, hogy a véletlenszerű áramkörök még mindig nehézek a klasszikus számítógépek számára, még ha figyelembe vesszük is, hogy a kvantumáramkör apró hibákat tartalmaz.
Jó hír, hogy a klasszikus szuperszámítógépek a létező kvantumáramkörök szimulációjának küszöbén állnak. A legrosszabb hír az, hogy egy ilyen problémának nincs más gyakorlati alkalmazása, csak a kvantumszámítógépek erejének bemutatása. Ebből a szempontból az uralom kifejezés kissé félrevezető - a kvantum számítógépek véletlen áramkörök szerepében mintegy ötven qubit mellett fogják legyőzni a klasszikus számítógépeket, de a gyakorlati problémák túlnyomó többségének megoldásában továbbra is a klasszikus számítógépek dominálnak.
Sok tudós a kvantumuralom lehetséges demonstrációját a technológiai fejlődés demonstrációjának tekinti. Egy ilyen kísérlethez több mint ötven kvit előállítására van szükség egy kis chipen, amely kellően el lesz szigetelve a környezettől, hogy a kvitek kellően stabilak legyenek, ugyanakkor egyénileg és pontosan ellenőriznünk kell őket. Ezek a követelmények megkülönböztetik a digitális kvantum számítógépet a meglévő kvantum szimulátoroktól, és egyúttal teret nyitnak a későbbi kísérletek számára.