Οι φυσικοί τελικά βρίσκουν ένα πρόβλημα Μόνο οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να κάνουν | Περιοδικό Quanta

Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι έτοιμοι να γίνουν υπολογιστικές υπερδυνάμεις, αλλά οι ερευνητές αναζητούν εδώ και καιρό ένα βιώσιμο πρόβλημα που παρέχει ένα κβαντικό πλεονέκτημα - κάτι που μόνο ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει. Μόνο τότε, υποστηρίζουν, η τεχνολογία θα θεωρηθεί τελικά ως απαραίτητη.

Ψάχνουν για δεκαετίες. "Ένα μέρος του λόγου που είναι προκλητικό είναι επειδή οι κλασικοί υπολογιστές είναι πολύ καλοί σε πολλά πράγματα που κάνουν", είπε. Τζον Πρεσκίλ, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια.

Σε 1994, ανακάλυψε ο Peter Shor μία δυνατότητα: ένας κβαντικός αλγόριθμος για την παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών. Ο αλγόριθμος του Shor είναι ισχυρός και πιστεύεται ευρέως ότι ξεπερνά όλους τους κλασικούς αλγόριθμους. όταν εκτελείται σε κβαντικό υπολογιστή, έχει τη δυνατότητα να σπάσει πολλά από τα συστήματα ασφαλείας του Διαδικτύου, τα οποία βασίζονται στη σκληρότητα της παραγοντοποίησης μεγάλων αριθμών. Όμως, όσο εντυπωσιακός κι αν είναι, ο αλγόριθμος σχετίζεται μόνο με ένα στενό τμήμα ερευνητικών περιοχών και είναι πιθανό αύριο κάποιος να βρει έναν αποτελεσματικό τρόπο να συνυπολογίσει μεγάλους αριθμούς σε μια κλασική μηχανή, κάνοντας τον αλγόριθμο του Shor να αμφισβητηθεί. Η περιορισμένη δυνατότητα εφαρμογής του Shor οδήγησε την ερευνητική κοινότητα να αναζητήσει άλλες περιπτώσεις χρήσης για κβαντικές μηχανές που θα μπορούσαν πραγματικά να βοηθήσουν στην πραγματοποίηση νέων επιστημονικών ανακαλύψεων.

«Δεν θέλουμε να δημιουργήσουμε έναν υπολογιστή μόνο για μία εργασία», είπε Σύντομα ο Τσόι, φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. "Εκτός από τον αλγόριθμο του Shor, τι άλλο μπορούμε να κάνουμε με έναν κβαντικό υπολογιστή;"

Όπως το θέτει ο Preskill, «Πρέπει να βρούμε εκείνα τα προβλήματα που είναι κλασικά δύσκολα, αλλά μετά πρέπει να [δείξουμε] ότι οι κβαντικές μέθοδοι θα είναι πραγματικά αποτελεσματικές».

Μερικές φορές, οι ερευνητές νόμιζαν ότι το είχαν κάνει, ανακαλύπτοντας κβαντικούς αλγόριθμους που θα μπορούσαν να λύσουν προβλήματα πιο γρήγορα από οτιδήποτε μπορούσε να κάνει ένας κλασικός υπολογιστής. Αλλά τότε κάποιος — συχνά ο νεαρός ερευνητής Γιούιν Τανγκ — κατέληξε σε έξυπνους νέους κλασικούς αλγόριθμους που θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τους κβαντικούς.

Τώρα, μια ομάδα φυσικών συμπεριλαμβανομένου του Preskill μπορεί να έχει βρήκε τον καλύτερο υποψήφιο μέχρι τώρα για κβαντικό πλεονέκτημα. Μελετώντας την ενέργεια ορισμένων κβαντικών συστημάτων, ανακάλυψαν μια συγκεκριμένη και χρήσιμη ερώτηση που είναι εύκολο να απαντήσει μια κβαντική μηχανή, αλλά εξακολουθεί να είναι δύσκολη για μια κλασική. «Αυτή είναι σημαντική πρόοδος στη θεωρία των κβαντικών αλγορίθμων», είπε Σεργκέι Μπράβι, θεωρητικός φυσικός και επιστήμονας υπολογιστών στην IBM. «Το αποτέλεσμά τους είναι ένα κβαντικό πλεονέκτημα για ένα πρόβλημα που σχετίζεται με τη χημεία και τις επιστήμες των υλικών».

Οι ερευνητές είναι επίσης ενθουσιασμένοι που η νέα εργασία εξερευνά απροσδόκητους νέους τομείς των φυσικών επιστημών. «Αυτή η νέα ικανότητα είναι ποιοτικά διαφορετική [από αυτή του Shor] και δυνητικά ανοίγει πολλές νέες ευκαιρίες στον κόσμο των κβαντικών αλγορίθμων», δήλωσε ο Choi.

Το πρόβλημα έχει να κάνει με τις ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων (συνήθως ατόμων) σε διάφορες ενεργειακές καταστάσεις. Όταν τα άτομα μεταπηδούν μεταξύ των καταστάσεων, οι ιδιότητές τους αλλάζουν. Μπορεί να εκπέμπουν ένα συγκεκριμένο χρώμα φωτός, για παράδειγμα, ή να γίνουν μαγνητικά. Αν θέλουμε να προβλέψουμε καλύτερα τις ιδιότητες του συστήματος σε διάφορες ενεργειακές καταστάσεις, βοηθάει στην κατανόηση του συστήματος όταν βρίσκεται στη λιγότερο διεγερμένη του κατάσταση, την οποία οι επιστήμονες αναφέρουν ως βασική κατάσταση.

«Πολλοί χημικοί, επιστήμονες υλικών και κβαντικοί φυσικοί εργάζονται για την εύρεση βασικών καταστάσεων», είπε. Ρόμπερτ Χουάνγκ, ένας από τους νέους συγγραφείς εργασίας και ερευνητής στο Google Quantum AI. «Είναι γνωστό ότι είναι εξαιρετικά δύσκολο».

Είναι τόσο δύσκολο που μετά από περισσότερο από έναν αιώνα εργασίας, οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη βρει μια αποτελεσματική υπολογιστική προσέγγιση για τον προσδιορισμό της βασικής κατάστασης ενός συστήματος από τις πρώτες αρχές. Ούτε φαίνεται να υπάρχει τρόπος να το κάνει ένας κβαντικός υπολογιστής. Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η εύρεση της βασικής κατάστασης ενός συστήματος είναι δύσκολη τόσο για τους κλασικούς όσο και για τους κβαντικούς υπολογιστές.

Αλλά ορισμένα φυσικά συστήματα παρουσιάζουν ένα πιο περίπλοκο ενεργειακό τοπίο. Όταν ψύχονται, αυτά τα πολύπλοκα συστήματα αρκούνται στο να εγκατασταθούν όχι στη βασική τους κατάσταση, αλλά σε ένα κοντινό χαμηλό επίπεδο ενέργειας, γνωστό ως τοπικό ελάχιστο επίπεδο ενέργειας. (Μέρος του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2021 απονεμήθηκε για εργασία σε ένα τέτοιο σύνολο συστημάτων, γνωστό ως περιστρεφόμενα ποτήρια.) Οι ερευνητές άρχισαν να αναρωτιούνται εάν το ζήτημα του προσδιορισμού του τοπικού ελάχιστου ενεργειακού επιπέδου ενός συστήματος ήταν επίσης γενικά δύσκολο.

Οι απαντήσεις άρχισαν να εμφανίζονται πέρυσι, όταν Τσι-Φανγκ (Άντονι) Τσεν, ένας άλλος συγγραφέας της πρόσφατης εργασίας, βοήθησε στην ανάπτυξη μιας νέας κβαντικός αλγόριθμος που θα μπορούσε να προσομοιώσει την κβαντική θερμοδυναμική (η οποία μελετά την επίδραση της θερμότητας, της ενέργειας και της εργασίας σε ένα κβαντικό σύστημα). «Πιστεύω ότι πολλοί άνθρωποι έχουν [ερεύνησε] το ερώτημα σχετικά με το πώς μοιάζει το ενεργειακό τοπίο στα κβαντικά συστήματα, αλλά προηγουμένως δεν υπήρχε εργαλείο για την ανάλυσή του», είπε ο Huang. Ο αλγόριθμος του Chen βοήθησε να ανοίξει ένα παράθυρο στον τρόπο λειτουργίας αυτών των συστημάτων.

Βλέποντας πόσο ισχυρό ήταν το νέο εργαλείο, ο Huang και Λέο Ζου, ο τέταρτος και τελευταίος συγγραφέας της νέας εργασίας, το χρησιμοποίησε για να σχεδιάσει έναν τρόπο ώστε οι κβαντικοί υπολογιστές να προσδιορίζουν την τοπική ελάχιστη ενεργειακή κατάσταση ενός συστήματος, αντί να κυνηγούν την ιδανική βασική κατάσταση - μια προσέγγιση που επικεντρώθηκε ακριβώς στο είδος των ερωτήσεων των ερευνητών κβαντικών υπολογιστών αναζητούσαν. «Τώρα έχουμε ένα πρόβλημα: να βρούμε μια τοπική ποσότητα ενέργειας, η οποία είναι ακόμα δύσκολη κλασικά, αλλά μπορούμε να πούμε ότι είναι κβαντικά εύκολη», είπε ο Preskill. «Έτσι αυτό μας βάζει στην αρένα όπου θέλουμε να είμαστε για κβαντικό πλεονέκτημα».

Με επικεφαλής τον Preskill, οι συγγραφείς όχι μόνο απέδειξαν τη δύναμη της νέας τους προσέγγισης για τον προσδιορισμό της τοπικής ελάχιστης ενεργειακής κατάστασης ενός συστήματος - σημαντική πρόοδο στον τομέα της κβαντικής φυσικής - αλλά απέδειξαν επίσης ότι αυτό ήταν τελικά ένα πρόβλημα όπου οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούσαν να δείξουν την αξία τους. «Το πρόβλημα της εύρεσης τοπικού ελάχιστου έχει κβαντικό πλεονέκτημα», είπε ο Huang.

Και σε αντίθεση με τους προηγούμενους υποψηφίους, αυτός πιθανότατα δεν θα εκθρονιστεί από νέους κλασικούς αλγόριθμους. «[Είναι] απίθανο να αποκβαντιστεί», είπε ο Τσόι. Η ομάδα του Preskill έκανε πολύ εύλογες υποθέσεις και έκανε λίγα λογικά άλματα. Εάν ένας κλασικός αλγόριθμος μπορεί να επιτύχει τα ίδια αποτελέσματα, σημαίνει ότι οι φυσικοί πρέπει να κάνουν λάθος για πολλά άλλα πράγματα. «Αυτό θα είναι ένα συγκλονιστικό αποτέλεσμα», είπε ο Τσόι. «Θα χαρώ να το δω, αλλά θα είναι πολύ σοκαριστικό για να το πιστέψω». Η νέα εργασία παρουσιάζει έναν υποστηρικτικό και πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για να επιδείξει το κβαντικό πλεονέκτημα.

Για να είμαστε σαφείς, το νέο αποτέλεσμα εξακολουθεί να είναι θεωρητικό. Η επίδειξη αυτής της νέας προσέγγισης σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή είναι επί του παρόντος αδύνατη. Θα χρειαστεί χρόνος για να κατασκευαστεί μια μηχανή που θα μπορεί να δοκιμάσει διεξοδικά το κβαντικό πλεονέκτημα του προβλήματος. Για τον Bravyi λοιπόν, η δουλειά μόλις ξεκινά. «Αν κοιτάξετε τι συνέβη πριν από πέντε χρόνια, είχαμε μόνο λίγους κβαντικούς υπολογιστές qubit και τώρα έχουμε ήδη εκατοντάδες ή ακόμα και μηχανές 1,000 qubit», είπε. «Είναι πολύ δύσκολο να προβλέψεις τι θα συνέβαινε σε πέντε ή δέκα χρόνια. Είναι ένα πολύ δυναμικό πεδίο».

διόρθωση: Μαρτίου 12, 2024
Αυτό το άρθρο έχει επεξεργαστεί για να περιγράψει με μεγαλύτερη σαφήνεια την αναζήτηση ενός προβλήματος με κβαντικό πλεονέκτημα.