פיזיקאים סוף סוף מוצאים בעיה שרק מחשבים קוונטיים יכולים לעשות | מגזין קוונטה

מחשבים קוונטיים מוכנים להפוך למעצמות חישוביות, אבל חוקרים חיפשו מזה זמן רב בעיה בת קיימא המקנה יתרון קוונטי - משהו שרק מחשב קוונטי יכול לפתור. רק אז, לטענתם, הטכנולוגיה תיראה סוף סוף כחיונית.

הם מחפשים כבר עשרות שנים. "חלק מהסיבה שזה מאתגר היא בגלל שמחשבים קלאסיים די טובים בהרבה מהדברים שהם עושים", אמר ג'ון פרסקיל, פיזיקאי תיאורטי במכון הטכנולוגי של קליפורניה.

ב1994, פיטר שור גילה אפשרות אחת: אלגוריתם קוונטי לפירוק מספרים גדולים. האלגוריתם של שור הוא רב עוצמה והאמונה הרווחת מנצח את כל האלגוריתמים הקלאסיים; כאשר הוא פועל על מחשב קוונטי, יש לו פוטנציאל לשבור חלק גדול ממערכות האבטחה של האינטרנט, המסתמכות על הקשיות של הפקת מספרים גדולים. אבל עד כמה שהוא מרשים, האלגוריתם רלוונטי רק לחלק מצומצם של תחומי מחקר, וייתכן שמחר מישהו ימצא דרך יעילה לחשב מספרים גדולים במכונה קלאסית, מה שיהפוך את האלגוריתם של שור למעורפל. היישום המצומצם של שור הוביל את קהילת המחקר לחפש מקרי שימוש אחרים עבור מכונות קוונטיות שעשויות למעשה לסייע בגילוי תגליות מדעיות חדשות.

"אנחנו לא רוצים לבנות מחשב רק למשימה אחת", אמר סונוון וואן צ'וי, פיזיקאי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. "חוץ מהאלגוריתם של שור, מה עוד אנחנו יכולים לעשות עם מחשב קוונטי?"

כפי שמנסח זאת Preskill, "אנחנו צריכים למצוא את הבעיות האלה שהן קשות באופן קלאסי, אבל אז אנחנו צריכים [להראות] שהשיטות הקוונטיות באמת יהיו יעילות."

כמה פעמים, חוקרים חשבו שהם עשו את זה, וגילו אלגוריתמים קוונטיים שיכולים לפתור בעיות מהר יותר מכל מה שמחשב קלאסי יכול לעשות. אבל אז מישהו - לעתים קרובות החוקר הצעיר אווין טאנג - המציא אלגוריתמים קלאסיים חדשים וחכמים שיכולים להתעלות על אלו הקוונטים.

כעת, ייתכן שצוות של פיזיקאים כולל Preskill מצא את המועמד הטוב ביותר עד כה לטובת יתרון קוונטי. על ידי לימוד האנרגיה של מערכות קוונטיות מסוימות, הם גילו שאלה ספציפית ושימושית שקל למכונה קוונטית לענות עליה, אבל עדיין קשה לקלאסית. "זו התקדמות גדולה בתיאוריית האלגוריתמים הקוונטים", אמר סרגיי בראווי, פיזיקאי תיאורטי ומדען מחשבים ב-IBM. "התוצאה שלהם היא יתרון קוונטי לבעיה עם רלוונטיות לכימיה ומדעי החומר."

החוקרים גם נרגשים מכך שהעבודה החדשה חוקרת תחומים חדשים בלתי צפויים במדעי הפיזיקה. "היכולת החדשה הזו שונה מבחינה איכותית [מזאת של שור] ופוטנציאלית פותחת הזדמנויות חדשות רבות בעולם האלגוריתמים הקוונטיים", אמר צ'וי.

הבעיה קשורה לתכונות של מערכות קוונטיות (בדרך כלל אטומים) במצבי אנרגיה שונים. כאשר האטומים קופצים בין מצבים, התכונות שלהם משתנות. הם עשויים לפלוט צבע מסוים של אור, למשל, או להפוך למגנטים. אם אנחנו רוצים לחזות טוב יותר את תכונות המערכת במצבי אנרגיה שונים, זה עוזר להבין את המערכת כשהיא במצב הכי פחות נרגש שלה, שאליו מדענים מתייחסים כמצב הקרקע.

"הרבה כימאים, מדעני חומר ופיזיקאים קוונטים עובדים על מציאת מצבי קרקע", אמרו רוברט הואנג, אחד ממחברי המאמר החדשים ומדען מחקר ב-Google Quantum AI. "ידוע שזה קשה מאוד".

זה כל כך קשה שאחרי יותר ממאה שנים של עבודה, החוקרים עדיין לא מצאו גישה חישובית יעילה לקביעת מצב הקרקע של מערכת מתוך עקרונות ראשונים. גם לא נראה שיש דרך למחשב קוונטי לעשות זאת. מדענים הגיעו למסקנה כי מציאת מצב הקרקע של מערכת קשה הן עבור מחשבים קלאסיים והן עבור מחשבים קוונטיים.

אבל כמה מערכות פיזיקליות מציגות נוף אנרגיה מורכב יותר. בקירור, מערכות מורכבות אלה מסתפקות בהתיישבות לא במצב הקרקע שלהן, אלא ברמת אנרגיה נמוכה קרובה, המכונה רמת אנרגיה מינימלית מקומית. (חלק מפרס נובל לפיזיקה לשנת 2021 הוענק על עבודה במערך אחד כזה של מערכות, המכונה לסובב משקפיים.) חוקרים החלו לתהות אם השאלה של קביעת רמת האנרגיה המינימלית המקומית של מערכת היא גם קשה באופן אוניברסלי.

התשובות החלו להופיע בשנה שעברה, מתי צ'י-פאנג (אנתוני) צ'ן, מחבר אחר של המאמר האחרון, עזר בפיתוח חדש אלגוריתם קוונטי שיכולה לדמות תרמודינמיקה קוונטית (החוקרת את ההשפעה של חום, אנרגיה ועבודה על מערכת קוונטית). "אני חושב שאנשים רבים [חקרו] את השאלה כיצד נראה נוף האנרגיה במערכות קוונטיות, אך בעבר לא היה כלי לנתח זאת", אמר הואנג. האלגוריתם של חן עזר לפתוח צוהר לאופן הפעולה של מערכות אלו.

לאחר שראו כמה חזק היה הכלי החדש, הואנג ו ליאו ג'ואו, המחבר הרביעי והאחרון של המאמר החדש, השתמש בו כדי לתכנן דרך למחשבים קוונטיים לקבוע את מצב האנרגיה המינימלית המקומית של מערכת, במקום לרדוף אחר מצב הקרקע האידיאלי - גישה שהתמקדה בדיוק בסוג השאלות של חוקרי מחשוב קוונטי. חיפשו. "עכשיו יש לנו בעיה: למצוא כמות מקומית של האנרגיה, שעדיין קשה מבחינה קלאסית, אבל אנחנו יכולים לומר שהיא קלה מבחינה קוונטית", אמר פרסקיל. "אז זה שם אותנו בזירה שבה אנחנו רוצים להיות לטובת יתרון קוונטי."

בראשות Preskill, המחברים לא רק הוכיחו את כוחה של הגישה החדשה שלהם לקביעת מצב האנרגיה המינימלית המקומית של מערכת - התקדמות גדולה בתחום הפיזיקה הקוונטית - אלא גם הוכיחו שזו סוף סוף בעיה שבה מחשבים קוונטיים יכולים להראות את ערכם. "לבעיה של מציאת מינימום מקומי יש יתרון קוונטי", אמר הואנג.

ובניגוד למועמדים קודמים, זה כנראה לא יודח על ידי אלגוריתמים קלאסיים חדשים. "[זה] לא סביר שיימחק", אמר צ'וי. הצוות של Preskill הניח הנחות הגיוניות מאוד ולקח מעט קפיצות הגיוניות; אם אלגוריתם קלאסי יכול להשיג את אותן תוצאות, זה אומר שהפיזיקאים חייבים לטעות בדברים רבים אחרים. "זו תהיה תוצאה מזעזעת", אמר צ'וי. "אני אתרגש לראות את זה, אבל זה יהיה מזעזע מכדי להאמין." העבודה החדשה מציגה מועמד פתיר ומבטיח להפגין יתרון קוונטי.

שיהיה ברור, התוצאה החדשה היא עדיין תיאורטית במהותה. הדגמת גישה חדשה זו במחשב קוונטי ממשי היא בלתי אפשרית כרגע. ייקח זמן לבנות מכונה שתוכל לבדוק ביסודיות את היתרון הקוונטי של הבעיה. אז עבור Bravyi, העבודה רק מתחילה. "אם תסתכל מה קרה לפני חמש שנים, היו לנו רק כמה מחשבים קוונטיים של קוויביט, ועכשיו יש לנו כבר מאות או אפילו 1,000 מכונות קיוביטים", אמר. "קשה מאוד לחזות מה יקרה בעוד חמש או 10 שנים. זה תחום מאוד דינמי".

תיקון: במרץ 12, 2024
מאמר זה נערך כדי לתאר בצורה ברורה יותר את החיפוש אחר בעיה עם יתרון קוונטי.