Fizycy z Center for Computational Quantum Physics (CCQ) przy Flatiron Institute oraz naukowcy z Boston University dokonali przełomu, który podważa dotychczasowe przekonanie o wyższości komputerów kwantowych nad klasycznymi w określonych zadaniach. Badaczom udało się rozwiązać skomplikowany problem symulacji kwantowej, korzystając jedynie ze standardowego komputera osobistego, co wcześniej uznawano za niemożliwe bez użycia zaawansowanego sprzętu kwantowego.
Wyzwanie: symulacja splątanych kubitów
Głównym wyzwaniem było modelowanie zachowania setek oddziałujących ze sobą kubitów, czyli kwantowych odpowiedników bitów, rozmieszczonych w strukturach kwadratowych, sześciennych lub diamentowych. Podczas gdy klasyczny bit przechowuje wartość 0 lub 1, kubit może znajdować się w superpozycji wielu stanów jednocześnie. Ta unikalna właściwość sprawia, że systemy kwantowe są niezwykle trudne do odwzorowania za pomocą tradycyjnych maszyn.
Kluczową przeszkodą jest zjawisko splątania kwantowego, w którym właściwości kubitów pozostają ze sobą powiązane nawet przy dużych odległościach. W efekcie naukowcy nie mogą modelować każdego kubita z osobna, lecz muszą opisywać cały system za pomocą tzw. funkcji falowej. Jej rozmiar rośnie wykładniczo wraz z liczbą cząstek, co sprawia, że bezpośrednie przechowywanie danych w pamięci komputera staje się niewykonalne.
Kiedy masz wiele cząstek, które oddziałują zgodnie z zasadami fizyki kwantowej, otrzymujesz ogromną funkcję falową opisującą stan systemu. Jest to obiekt, który gwałtownie rośnie wraz z dodawaniem kolejnych cząstek.
Nowatorska kompresja danych
Aby obejść ograniczenia sprzętowe, zespół badawczy wykorzystał sieci tensorowe. Metoda ta pozwala na kompresję informacji zawartych w funkcji falowej do postaci matematycznej struktury, przypominającej zestaw połączonych tabel z liczbami. Joseph Tindall, główny autor publikacji, porównuje to rozwiązanie do pliku ZIP, który pozwala na efektywne przechowywanie i przetwarzanie złożonych danych.
Dzięki zastosowaniu biblioteki ITensor, opracowanej w CCQ, wiele obliczeń udało się przeprowadzić na zwykłym laptopie. Naukowcy z powodzeniem zastosowali trójwymiarową sieć tensorową do modelowania dynamiki kwantowej, co stanowiło wyzwanie inżynieryjne ze względu na złożoność matematyczną takich obiektów.
Powrót do sprawdzonych algorytmów
W procesie badawczym wykorzystano również algorytm propagacji przekonań (belief propagation), opracowany jeszcze w latach 80. XX wieku. Choć metoda ta jest bardziej przybliżona niż inne techniki, okazała się znacznie tańsza obliczeniowo i bardziej wydajna w przypadku problemów trójwymiarowych. Wyniki uzyskane za pomocą tej metody były zgodne z przewidywaniami teoretycznymi oraz wcześniejszymi symulacjami wykonanymi na komputerze kwantowym.
Osiągnięcie to rzuca nowe światło na debatę dotyczącą przewagi kwantowej. Badacze podkreślają, że klasyczne symulacje i komputery kwantowe nie muszą ze sobą konkurować, lecz mogą się wzajemnie uzupełniać. Rozwój oprogramowania dla komputerów klasycznych pomaga lepiej zrozumieć możliwości maszyn kwantowych, a jednocześnie oferuje badaczom łatwiejszy dostęp do narzędzi analitycznych bez konieczności budowania kosztownej infrastruktury kwantowej.
Kolejnym celem zespołu jest modelowanie elektronów przemieszczających się między różnymi punktami w systemie. Choć są to problemy znacznie trudniejsze pod względem ilościowym, ich rozwiązanie jest kluczowe dla zrozumienia natury materiałów kwantowych, takich jak nadprzewodniki.