Füüsikud leiavad lõpuks probleemi, mida saavad lahendada ainult kvantarvutid | Ajakiri Quanta

Kvantarvutid on valmis saama arvutuslikeks suurjõududeks, kuid teadlased on pikka aega otsinud elujõulist probleemi, mis annaks kvanteelise – midagi, mida suudab lahendada ainult kvantarvuti. Alles siis väidavad nad, et tehnoloogiat peetakse lõpuks oluliseks.

Nad on otsinud aastakümneid. "Osaliselt on see keeruline põhjus selles, et klassikalised arvutid on paljudes asjades päris head," ütles John Preskill, California Tehnoloogiainstituudi teoreetiline füüsik.

Aastal 1994, Peter Shor avastas üks võimalus: kvantalgoritm suurte arvude faktoriseerimiseks. Shori algoritm on võimas ja laialdaselt usutakse, et see võidab kõiki klassikalisi algoritme; kvantarvutis töötades võib see lõhkuda suure osa Interneti turvasüsteemidest, mis sõltuvad suurte arvude faktooringu kõvadusest. Kuid nii muljetavaldav kui see ka pole, on see algoritm asjakohane ainult kitsale uurimisvaldkonnale ja on võimalik, et homme leiab keegi tõhusa viisi klassikalisel masinal suurte arvude arvestamiseks, muutes Shori algoritmi vaieldamatuks. Shori kitsas kohaldatavus on pannud teadlaskonna otsima teisi kvantmasinate kasutusjuhtumeid, mis võiksid tegelikult aidata teha uusi teaduslikke avastusi.

"Me ei taha luua arvutit ainult ühe ülesande jaoks," ütles Soonwon Choi, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi füüsik. "Mida veel peale Shori algoritmi saame kvantarvutiga teha?"

Preskill ütleb: "Peame leidma need probleemid, mis on klassikaliselt rasked, kuid siis peame [näitama], et kvantmeetodid on tõesti tõhusad."

Paar korda arvasid teadlased, et nad on seda teinud, avastades kvantalgoritme, mis suudavad probleeme lahendada kiiremini kui ükski klassikaline arvuti. Aga siis keegi — sageli noor teadlane Ewin Tang — tuli välja nutikate uute klassikaliste algoritmidega, mis võiksid kvant-algoritme ületada.

Nüüd võib olla füüsikute meeskond, sealhulgas Preskill leidnud seni parima kandidaadi kvanteelise saamiseks. Uurides teatud kvantsüsteemide energiat, avastasid nad konkreetse ja kasuliku küsimuse, millele kvantmasinale on lihtne vastata, kuid klassikalisele siiski raske. "See on suur edasiminek kvantalgoritmide teoorias," ütles Sergei Bravyi, IBMi teoreetiline füüsik ja arvutiteadlane. "Nende tulemus on kvanteelis keemia ja materjaliteaduste jaoks olulise probleemi jaoks."

Teadlased on ka põnevil, et uus töö uurib ootamatuid uusi füüsikateaduste valdkondi. "See uus võimalus on kvalitatiivselt erinev [kui Shori oma] ja võib avada kvantalgoritmide maailmas palju uusi võimalusi, " ütles Choi.

Probleem on seotud kvantsüsteemide (tavaliselt aatomite) omadustega erinevates energiaolekutes. Kui aatomid hüppavad olekute vahel, muutuvad nende omadused. Need võivad kiirata näiteks teatud värvi valgust või muutuda magnetiliseks. Kui tahame paremini ennustada süsteemi omadusi erinevates energiaseisundites, aitab see mõista süsteemi, kui see on kõige vähem erutatud olekus, mida teadlased nimetavad põhiolekuks.

"Paljud keemikud, materjaliteadlased ja kvantfüüsikud tegelevad põhiolekute leidmisega," ütles Robert Huang, üks uutest paberiautoritest ja Google Quantum AI teadur. "See on teadaolevalt väga raske."

See on nii raske, et pärast enam kui sajandi pikkust tööd pole teadlased ikka veel leidnud tõhusat arvutuslikku lähenemisviisi süsteemi põhiseisundi määramiseks esimeste põhimõtete põhjal. Samuti ei paista, et kvantarvuti saaks seda teha. Teadlased on jõudnud järeldusele, et süsteemi põhiseisundi leidmine on raske nii klassikaliste kui ka kvantarvutite jaoks.

Kuid mõnel füüsilisel süsteemil on keerulisem energiamaastik. Jahutades ei rahune need keerulised süsteemid mitte oma põhiolekusse, vaid pigem lähedal asuvale madalale energiatasemele, mida nimetatakse kohalikuks minimaalseks energiatasemeks. (Osa 2021. aasta Nobeli füüsikaauhinnast anti töö eest ühes sellises süsteemikomplektis, mida tuntakse klaase keerutada.) Teadlased hakkasid mõtlema, kas süsteemi kohaliku minimaalse energiataseme määramise küsimus on samuti üldiselt raske.

Vastused hakkasid ilmnema eelmisel aastal, mil Chi-Fang (Anthony) Chen, hiljutise artikli teine ​​autor, aitas välja töötada uue kvantalgoritm mis võiks simuleerida kvanttermodünaamikat (mis uurib soojuse, energia ja töö mõju kvantsüsteemile). "Ma arvan, et paljud inimesed on [uurinud] küsimust selle kohta, milline näeb välja energiamaastik kvantsüsteemides, kuid varem puudus tööriist selle analüüsimiseks, " ütles Huang. Cheni algoritm aitas avada akna nende süsteemide toimimise kohta.

Nähes, kui võimas uus tööriist oli, Huang ja Leo Zhou, uue artikli neljas ja viimane autor, kasutas seda kvantarvutite jaoks viisi väljatöötamiseks süsteemi kohaliku minimaalse energiaoleku määramiseks, selle asemel, et otsida ideaalset põhiseisundit – lähenemisviis, mis keskendus just sellistele küsimustele, mida kvantarvutite uurijad uurivad. otsisid. "Nüüd on meil probleem: kohaliku energiakoguse leidmine, mis on klassikaliselt endiselt raske, kuid võib öelda, et see on kvantitatiivselt lihtne," ütles Preskill. "See asetab meid areenile, kus tahame olla kvanteelise nimel."

Preskilli juhtimisel ei tõestanud autorid mitte ainult oma uue lähenemisviisi võimsust süsteemi kohaliku minimaalse energiaseisundi määramisel - see on suur edu kvantfüüsika valdkonnas -, vaid tõestasid ka, et see oli lõpuks probleem, kus kvantarvutid saavad oma väärtust näidata. "Kohaliku miinimumi leidmise probleemil on kvanteelis," ütles Huang.

Ja erinevalt eelmistest kandidaatidest ei kukuta seda tõenäoliselt troonilt ükski uus klassikaline algoritm. "[See on] ebatõenäoline, et seda dekvantiseeritakse, " ütles Choi. Preskilli meeskond tegi väga usutavaid oletusi ja tegi vähe loogilisi hüppeid; kui klassikaline algoritm võib saavutada samu tulemusi, tähendab see, et füüsikud peavad paljudes muudes asjades eksima. "See on šokeeriv tulemus," ütles Choi. "Ma näen seda põnevusega, kuid see on liiga šokeeriv, et seda uskuda." Uus töö esitab jälgitava ja paljutõotava kandidaadi kvanteelise demonstreerimiseks.

Selguse huvides on uus tulemus ikkagi teoreetiline. Selle uue lähenemisviisi demonstreerimine tegelikus kvantarvutis on praegu võimatu. Selle masina ehitamine, mis suudab probleemi kvanteelise põhjalikult testida, võtab aega. Nii et Bravyi jaoks on töö alles algamas. "Kui vaadata, mis juhtus viis aastat tagasi, siis meil oli vaid paar kubitist kvantarvutit ja nüüd on meil juba sadu või isegi 1,000 kubitisi masinaid," ütles ta. "Väga raske ennustada, mis juhtub viie või kümne aasta pärast. See on väga dünaamiline valdkond.

Parandus: Märtsil 12, 2024
Seda artiklit on muudetud, et kirjeldada selgemalt kvanteelise probleemi otsimist.