A fizikusok végre megtalálják azt a problémát, amelyet csak a kvantumszámítógépek képesek megoldani | Quanta Magazin

A kvantumszámítógépek számítási szuperképességekké válhatnak, de a kutatók régóta keresnek egy életképes problémát, amely kvantumelőnyt biztosít – amit csak egy kvantumszámítógép képes megoldani. Érvelésük szerint a technológiát csak akkor tekintik végre alapvetőnek.

Évtizedek óta keresik. „Részben azért kihívást jelent, mert a klasszikus számítógépek sok mindenben elég jók” – mondta. John Preskill, a California Institute of Technology elméleti fizikusa.

A 1994, Peter Shor fedezte fel egy lehetőség: egy kvantum algoritmus nagy számok faktorálására. Shor algoritmusa erőteljes, és széles körben úgy tartják, hogy minden klasszikus algoritmust legyőz; kvantumszámítógépen futtatva képes feltörni az internet biztonsági rendszereinek nagy részét, amelyek a nagy számok faktorálásának keménységére támaszkodnak. De bármilyen lenyűgöző is, az algoritmus csak a kutatási területek egy szűk szeletére vonatkozik, és lehetséges, hogy holnap valaki hatékony módszert talál nagy számok faktorálására egy klasszikus gépen, ami megkérdőjelezi Shor algoritmusát. Shor szűkös alkalmazhatósága arra késztette a kutatóközösséget, hogy más olyan felhasználási eseteket keressen a kvantumgépekhez, amelyek valóban segíthetnek új tudományos felfedezésekben.

„Nem akarunk egy számítógépet egyetlen feladatra építeni” – mondta Soonwon Choi, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa. – Shor algoritmusán kívül mi mást tehetünk egy kvantumszámítógéppel?

Ahogy Preskill mondja: „Meg kell találnunk azokat a problémákat, amelyek klasszikusan nehezek, de aztán meg kell [megmutatnunk], hogy a kvantum módszerek valóban hatékonyak lesznek.”

Néhányszor a kutatók azt hitték, hogy megcsinálták, és olyan kvantum algoritmusokat fedeztek fel, amelyek gyorsabban oldják meg a problémákat, mint bármi, amit egy klasszikus számítógép képes. De aztán valaki – gyakran a fiatal kutató Ewin Tang - okos, új klasszikus algoritmusokkal állt elő, amelyek felülmúlhatják a kvantumos algoritmusokat.

Most egy fizikuscsoport, köztük a Preskill is megtalálta a legjobb jelöltet kvantumelőny érdekében. Egyes kvantumrendszerek energiájának tanulmányozása során felfedeztek egy konkrét és hasznos kérdést, amelyre egy kvantumgépnek könnyű megválaszolni, de a klasszikusnak még mindig nehéz. "Ez jelentős előrelépés a kvantumalgoritmusok elméletében" - mondta Szergej Bravyi, az IBM elméleti fizikusa és informatikusa. "Eredményük kvantumelőny a kémia és az anyagtudomány szempontjából releváns probléma esetén."

A kutatókat az is izgatja, hogy az új munka a fizikai tudományok váratlan új területeit tárja fel. "Ez az új képesség minőségileg különbözik [Shor-tól], és potenciálisan sok új lehetőséget nyit meg a kvantumalgoritmusok világában" - mondta Choi.

A probléma a különböző energiaállapotú kvantumrendszerek (jellemzően atomok) tulajdonságaival kapcsolatos. Amikor az atomok az állapotok között ugrálnak, tulajdonságaik megváltoznak. Kibocsáthatnak például egy bizonyos színű fényt, vagy mágnesessé válhatnak. Ha jobban meg akarjuk jósolni a rendszer tulajdonságait különböző energiaállapotokban, akkor segít megérteni a rendszert, amikor az a legkevésbé gerjesztett állapotában van, amit a tudósok alapállapotnak neveznek.

"Sok vegyész, anyagtudós és kvantumfizikus dolgozik az alapállapotok megtalálásán" - mondta. Robert Huang, az egyik új cikk szerzője és a Google Quantum AI kutatója. – Köztudott, hogy rendkívül nehéz.

Ez annyira nehéz, hogy több mint egy évszázados munka után a kutatók még mindig nem találtak hatékony számítási módszert a rendszer alapállapotának meghatározására az első elvek alapján. Úgy tűnik, hogy kvantumszámítógépnek nincs mód erre. A tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a klasszikus és a kvantumszámítógépek számára is nehéz megtalálni a rendszer alapállapotát.

Néhány fizikai rendszer azonban összetettebb energiakörnyezetet mutat. Lehűtve ezek a komplex rendszerek megelégszenek azzal, hogy nem alapállapotukban, hanem egy közeli alacsony energiaszinten, helyi minimum energiaszinten telepednek le. (A 2021-es fizikai Nobel-díj egy részét egy ilyen rendszercsoportban végzett munkáért ítélték oda, pörgetni a poharakat.) A kutatók azon kezdtek töprengeni, hogy vajon egy rendszer lokális minimális energiaszintjének meghatározása is általánosan nehéz-e.

A válaszok tavaly kezdtek kirajzolódni, amikor Chi-Fang (Anthony) Chen, a közelmúltban megjelent cikk másik szerzője segített egy új kvantum algoritmus amely képes szimulálni a kvantumtermodinamikát (amely a hő, az energia és a munka hatását vizsgálja egy kvantumrendszerre). „Úgy gondolom, hogy sokan [kutatták] azt a kérdést, hogy hogyan néz ki az energiatáj a kvantumrendszerekben, de korábban nem volt eszköz ennek elemzésére” – mondta Huang. Chen algoritmusa segített ablakot nyitni ezeknek a rendszereknek a működésére.

Amikor látta, hogy milyen erős az új eszköz, Huang és Leo Zhou, az új tanulmány negyedik és egyben utolsó szerzője, arra használta, hogy a kvantumszámítógépek egy módszert tervezzenek a rendszer helyi minimális energiaállapotának meghatározására, ahelyett, hogy az ideális alapállapotot hajszolnák – ez a megközelítés éppen azokra a kérdésekre összpontosított, amelyeket a kvantumszámítógépekkel foglalkozó kutatók végeznek. kerestek. "Most van egy problémánk: megtalálni az energia helyi mennyiségét, ami klasszikusan még mindig nehéz, de azt mondhatjuk, hogy nagyon könnyű" - mondta Preskill. „Tehát ezzel abba az arénába kerülünk, ahol kvantumelőnyben szeretnénk lenni.”

Preskill vezetésével a szerzők nemcsak bebizonyították új megközelítésük erejét a rendszer lokális minimális energiaállapotának meghatározására – ez jelentős előrelépés a kvantumfizika területén –, hanem azt is bebizonyították, hogy ez végre egy olyan probléma, ahol a kvantumszámítógépek meg tudják mutatni értéküket. "A helyi minimum megtalálásának problémája kvantumelőnnyel jár" - mondta Huang.

És a korábbi jelöltekkel ellentétben ezt valószínűleg semmilyen új klasszikus algoritmus nem fogja letaszítani a trónról. "Nem valószínű, hogy dekvantálják" - mondta Choi. Preskill csapata nagyon valószínű feltételezéseket tett, és kevés logikai ugrást tett; ha egy klasszikus algoritmus ugyanazokat az eredményeket tudja elérni, az azt jelenti, hogy a fizikusok sok más dologban is tévednek. „Ez sokkoló eredmény lesz” – mondta Choi. "Izgatott leszek, hogy láthassam, de túl sokkoló lesz ahhoz, hogy elhiggyem." Az új munka követhető és ígéretes jelöltet mutat be a kvantumelőny bemutatására.

Az egyértelműség kedvéért az új eredmény még mindig elméleti jellegű. Ennek az új megközelítésnek a tényleges kvantumszámítógépen való bemutatása jelenleg lehetetlen. Időbe fog telni egy olyan gép megépítése, amely képes alaposan tesztelni a probléma kvantumelőnyét. Bravyi számára tehát a munka még csak most kezdődik. „Ha megnézzük, mi történt öt évvel ezelőtt, csak néhány kubites kvantumszámítógépünk volt, most pedig már több száz vagy akár 1,000 qubites gépünk is van” – mondta. „Nagyon nehéz megjósolni, mi fog történni öt vagy tíz év múlva. Ez egy nagyon dinamikus terület.”

Javítás: Március 12, 2024
Ezt a cikket úgy szerkesztették, hogy pontosabban leírja a kvantumelőnyös probléma keresését.