Silmatorkavat uut tõendit kvantarvutusliku keerukuse kohta saab kõige paremini mõista mängulise mõttekatsega. Laske vannis käia, seejärel visake vette hunnik ujuvvarraste magneteid. Iga magnet pöörab oma orientatsiooni edasi-tagasi, püüdes joonduda oma naabritega. See surub ja tõmbab teisi magneteid ning vastutasuks lükatakse ja tõmmatakse. Proovige nüüd vastata sellele: milline saab olema süsteemi lõplik paigutus?
Selgub, et see probleem ja teised sarnased on võimatult keerulised. Rohkem kui mõnesaja magnetiga kuluks arvutisimulatsioonidel vastuse väljasülitamiseks meeletult palju aega.
Nüüd muutke need magnetid kvantiks - üksikud aatomid alluvad kvantmaailma bütsantsi reeglitele. Nagu võite arvata, muutub probleem veelgi raskemaks. "Koosmõjud muutuvad keerulisemaks, " ütles Henry Yuen Columbia ülikoolist. "Seal on keerulisem piirang, millal kaks naabruses asuvat "kvantmagnetit" on õnnelikud."
Need lihtsana tunduvad süsteemid on andnud erakordse ülevaate arvutamise piiridest nii klassikalises kui ka kvantversioonis. Klassikaliste või mittekvantsüsteemide puhul a maamärk teoreem arvutiteadusest viib meid kaugemale. Seda nimetatakse PCP-teoreemiks ("tõenäosuslikult kontrollitava tõestuse jaoks") ja see ütleb, et mitte ainult magnetite (või sellega seotud aspektide) lõplikku olekut pole uskumatult raske arvutada, vaid ka paljusid selleni viivaid samme. Olukorra keerukus on veelgi drastilisem ehk teisisõnu lõppseisundiga ümbritsetud salapära tsoon.
Teine PCP teoreemi versioon, mida pole veel tõestatud, käsitleb konkreetselt kvantjuhtumit. Arvutiteadlased kahtlustavad, et kvant-PCP oletus vastab tõele ja selle tõestamine muudaks meie arusaama kvantprobleemide keerukusest. Seda peetakse kvantarvutusliku keerukuse teoorias vaieldamatult kõige olulisemaks avatud probleemiks. Kuid siiani on see jäänud kättesaamatuks.
Üheksa aastat tagasi leidsid kaks teadlast vahepealse eesmärgi, mis aitab meil selleni jõuda. Nad mõtlesid välja lihtsam hüpotees, mida tuntakse kui „madala energiaga triviaalset olekut” (NLTS), mis peaks olema tõene, kui kvant-PCP oletus on tõene. Selle tõestamine ei muudaks kvant-PCP oletuse tõestamist tingimata lihtsamaks, kuid see lahendaks mõned selle kõige intrigeerivamad küsimused.
Siis eelmisel kuul kolm arvutiteadlast tõestas NLTS-i oletust. Tulemusel on silmatorkav mõju arvutiteadusele ja kvantfüüsikale.
"See on väga põnev," ütles Dorit Aharonov Jeruusalemma Heebrea Ülikoolist. "See julgustab inimesi uurima kvant-PCP oletuse raskemat probleemi."
Uue tulemuse mõistmiseks alustage kvantsüsteemi, näiteks aatomite komplekti kujutamisega. Igal aatomil on omadus, mida nimetatakse spinniks, mis on mõnevõrra sarnane magneti joondusega, kuna see on suunatud piki telge. Kuid erinevalt magneti joondamisest võib aatomi spinn olla olekus, mis on samaaegne erinevate suundade segu, mida nimetatakse superpositsiooniks. Lisaks võib olla võimatu kirjeldada ühe aatomi spinni, võtmata arvesse teiste kaugete piirkondade aatomite spinne. Kui see juhtub, öeldakse, et need omavahel seotud aatomid on kvantpõimumise seisundis. Põimumine on tähelepanuväärne, kuid ka habras ja kergesti häiritav termiliste vastasmõjude tõttu. Mida rohkem soojust süsteemis on, seda raskem on seda mässida.
Kujutage nüüd ette, et jahutate hulga aatomeid, kuni need lähenevad absoluutsele nullile. Kui süsteem muutub jahedamaks ja takerdumismustrid stabiilsemaks, väheneb selle energia. Madalaim võimalik energia ehk "maaenergia" kirjeldab lühidalt kogu süsteemi keerulist lõppseisundit. Või vähemalt oleks, kui seda saaks arvutada.
Alates 1990. aastate lõpust avastasid teadlased, et teatud süsteemide puhul ei saa seda maapealset energiat kunagi mõistliku aja jooksul arvutada.
Kuid füüsikud arvasid, et maapinna energiale lähedast (kuid mitte päris sealset) energiataset peaks olema lihtsam arvutada, kuna süsteem oleks soojem ja vähem takerdunud ning seetõttu lihtsam.
Arvutiteadlased ei nõustunud. Klassikalise PCP teoreemi kohaselt on lõppolekule lähedasi energiaid sama raske arvutada kui lõppenergiat ennast. Ja PCP teoreemi kvantversioon, kui see on tõsi, ütleks, et maapinna energia lähteenergiat oleks sama raske arvutada kui maapinna energiat. Kuna klassikaline PCP teoreem on tõsi, arvavad paljud teadlased, et ka kvantversioon peaks olema tõsi. "Kindlasti peab kvantversioon olema tõsi," ütles Yuen.
Sellise teoreemi füüsikalised tagajärjed oleksid sügavad. See tähendaks, et on olemas kvantsüsteeme, mis säilitavad oma takerdumise ka kõrgematel temperatuuridel – see on täiesti vastuolus füüsikute ootustega. Kuid keegi ei suutnud tõestada, et sellised süsteemid on olemas.
2013. aastal vähendasid probleemi Michael Freedman ja Matthew Hastings, kes mõlemad töötasid Californias Santa Barbaras Microsoft Researchi jaamas Q. Nad otsustasid otsida süsteeme, mille madalaimat ja peaaegu madalaimat energiat on raske arvutada ainult ühe mõõdiku järgi: vooluringide hulga, mis kulub arvutil nende simuleerimiseks. Need kvantsüsteemid, kui nad suudaksid need leida, peaksid säilitama rikkalikud takerdumismustrid kõigi nende madalaima energiaga. Selliste süsteemide olemasolu ei tõesta kvant-PCP oletust – võib olla ka muid kõvadusmõõdikuid, mida tuleks arvestada –, kuid seda loetaks edusammuks.
Arvutiteadlased ei teadnud ühestki sellisest süsteemist, kuid teadsid, kust neid otsida: uurimisvaldkonnas, mida nimetatakse kvantvigade korrigeerimiseks, kus teadlased loovad takerdumise retsepte, mis on mõeldud aatomite kaitsmiseks häirete eest. Iga retsepti tuntakse koodina ja seal on palju nii suuremat kui ka väiksemat laadi koode.
2021. aasta lõpus arvutiteadlased tegi suure läbimurde sisuliselt ideaalse iseloomuga kvantviga parandavate koodide loomisel. Järgnevate kuude jooksul kasutasid mitmed teised teadlaste rühmad nende tulemuste põhjal erinevaid versioone.
Uue artikli kolm autorit, kes olid viimase kahe aasta jooksul seotud projektide kallal koostööd teinud, tulid kokku, et tõestada, et ühel uutest koodidest on kõik omadused, mis on vajalikud sellise kvantsüsteemi loomiseks, nagu Freedman ja Hastings olid oletanud. . Seda tehes tõestasid nad NLTS-i oletust.
Nende tulemus näitab, et takerdumine ei pruugi olla nii habras ja temperatuuritundlik, kui füüsikud arvasid. Ja see toetab kvant-PCP oletust, mis viitab sellele, et isegi maapinna energiast eemal võib kvantsüsteemi energia arvutamine jääda praktiliselt võimatuks.
"See ütleb meile, et asi, mis tundus ebatõenäoline, on tõsi," ütles Isaac Kim California ülikoolist Davis. "Kuigi mõnes väga veidras süsteemis."
Teadlased usuvad, et täieliku kvant-PCP oletuse tõestamiseks on vaja erinevaid tehnilisi tööriistu. Küll aga näevad nad põhjust olla optimistlikud, et praegune tulemus toob neid lähemale.
Võib-olla huvitab neid kõige rohkem see, kas äsja avastatud NLTS-i kvantsüsteeme – kuigi teoreetiliselt võimalik – saab ka tegelikult looduses luua ja millised need välja näeksid. Praeguse tulemuse kohaselt vajaksid need keerukaid pikamaa takerdumise mustreid, mida pole kunagi laboris toodetud ja mida saaks ehitada ainult astronoomiliste aatomite arvu abil.
"Need on kõrgelt konstrueeritud objektid," ütles Chinmay Nirkhe, arvutiteadlane California ülikoolist Berkeleys ja uue artikli kaasautor koos Anurag Anshu Harvardi ülikoolist ja Nikolas Breuckmann Londoni Ülikooli Kolledžist.
"Kui teil on võimalus siduda väga kaugeid kubite, siis usun, et saate süsteemi realiseerida," ütles Anshu. "Kuid madala energiatarbega spektri saavutamiseks on vaja veel üks teekond." Breuckmann lisas: "Võib-olla on mõni universumi osa, mis on NLTS. Ma ei tea.”
