Fizycy w końcu znaleźli problem, który potrafią rozwiązać tylko komputery kwantowe | Magazyn Quanta

Komputery kwantowe mają szansę stać się supermocami obliczeniowymi, ale badacze od dawna poszukiwali realnego problemu, który zapewniłby przewagę kwantową – problemu, który może rozwiązać tylko komputer kwantowy. Twierdzą, że tylko wtedy technologia ta będzie w końcu postrzegana jako niezbędna.

Szukali od kilkudziesięciu lat. „Jest to wyzwanie częściowo dlatego, że klasyczne komputery radzą sobie całkiem nieźle z wieloma rzeczami, które wykonują” – powiedział Johna Preskilla, fizyk teoretyczny w California Institute of Technology.

W 1994, Odkrył Peter Shor jedna możliwość: algorytm kwantowy do rozkładu na czynniki dużych liczb. Algorytm Shora jest potężny i powszechnie uważa się, że przewyższa wszystkie klasyczne algorytmy; uruchamiany na komputerze kwantowym może złamać większość systemów bezpieczeństwa Internetu, które opierają się na trudnościach w rozkładaniu na czynniki dużych liczb. Choć algorytm jest imponujący, ma zastosowanie tylko w wąskim wycinku obszarów badawczych i możliwe, że jutro ktoś znajdzie skuteczny sposób na rozkład dużych liczb na maszynie klasycznej, co sprawi, że algorytm Shora stanie się dyskusyjny. Wąskie zastosowanie Shora skłoniło społeczność badawczą do poszukiwania innych przypadków użycia maszyn kwantowych, które mogłyby faktycznie pomóc w dokonywaniu nowych odkryć naukowych.

„Nie chcemy budować komputera tylko do jednego zadania” – powiedział Wkrótce wygrał Choi, fizyk z Massachusetts Institute of Technology. „Co jeszcze oprócz algorytmu Shora możemy zrobić z komputerem kwantowym?”

Jak to ujął Preskill: „Musimy znaleźć problemy, które są klasycznie trudne, ale potem musimy [pokazać], że metody kwantowe będą naprawdę wydajne”.

Kilka razy badacze myśleli, że im się to udało, odkrywając algorytmy kwantowe, które mogą rozwiązywać problemy szybciej niż cokolwiek, co byłby w stanie zrobić klasyczny komputer. Ale potem ktoś – często młody badacz Ewina Tanga — opracował nowe, sprytne, klasyczne algorytmy, które mogą przewyższać algorytmy kwantowe.

Teraz może to zrobić zespół fizyków, w tym Preskill znalazł najlepszego jak dotąd kandydata dla przewagi kwantowej. Badając energię niektórych układów kwantowych, odkryli konkretne i przydatne pytanie, na które odpowiedź jest łatwa dla maszyny kwantowej, ale nadal trudna dla maszyny klasycznej. „To ogromny postęp w teorii algorytmów kwantowych” – stwierdził Siergiej Brawiu, fizyk teoretyczny i informatyk w IBM. „Ich wynik zapewnia kwantową przewagę w rozwiązaniu problemu mającego znaczenie dla chemii i nauk o materiałach”.

Naukowcy są również podekscytowani faktem, że nowe prace eksplorują nieoczekiwane nowe obszary nauk fizycznych. „Ta nowa zdolność jest jakościowo inna [niż Shora] i potencjalnie otwiera wiele nowych możliwości w świecie algorytmów kwantowych” – powiedział Choi.

Problem dotyczy właściwości układów kwantowych (zwykle atomów) w różnych stanach energetycznych. Kiedy atomy przeskakują między stanami, zmieniają się ich właściwości. Mogą na przykład emitować określony kolor światła lub stać się magnetycznymi. Jeśli chcemy lepiej przewidzieć właściwości układu w różnych stanach energetycznych, pomocne będzie zrozumienie układu w stanie najmniej wzbudzonym, który naukowcy nazywają stanem podstawowym.

„Wielu chemików, badaczy materiałów i fizyków kwantowych pracuje nad odkryciem stanów podstawowych” – powiedział Roberta Huanga, jeden z autorów nowego artykułu i pracownik naukowy w Google Quantum AI. „Wiadomo, że jest to niezwykle trudne”.

Jest to tak trudne, że po ponad stu latach pracy badacze wciąż nie znaleźli skutecznego podejścia obliczeniowego do określania stanu podstawowego systemu na podstawie pierwszych zasad. Nie wydaje się też, aby komputer kwantowy mógł tego dokonać. Naukowcy doszli do wniosku, że znalezienie stanu podstawowego systemu jest trudne zarówno w przypadku komputerów klasycznych, jak i kwantowych.

Jednak niektóre systemy fizyczne charakteryzują się bardziej złożonym krajobrazem energetycznym. Po ochłodzeniu te złożone systemy zadowalają się osiadaniem nie w stanie podstawowym, ale raczej na pobliskim niskim poziomie energii, znanym jako lokalny minimalny poziom energii. (Część Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2021 została przyznana za pracę w jednym z takich układów, znanym jako wirujące okulary.) Badacze zaczęli się zastanawiać, czy kwestia określenia lokalnego minimalnego poziomu energii w systemie jest również powszechnie trudna.

Odpowiedzi zaczęły pojawiać się w zeszłym roku, kiedy Chi-Fang (Anthony) Chen, inny autor niedawnego artykułu, pomógł opracować nowy algorytm kwantowy które mogłyby symulować termodynamikę kwantową (która bada wpływ ciepła, energii i pracy na układ kwantowy). „Myślę, że wiele osób [badało] pytanie, jak wygląda krajobraz energetyczny w układach kwantowych, ale wcześniej nie było narzędzia do jego analizy” – powiedział Huang. Algorytm Chena pomógł otworzyć okno na sposób działania tych systemów.

Widząc, jak potężne jest nowe narzędzie, Huang i Leo Zhou, czwarty i ostatni autor nowego artykułu, wykorzystał je do zaprojektowania sposobu, w jaki komputery kwantowe będą mogły określić lokalny stan minimalnej energii systemu, zamiast dążyć do idealnego stanu podstawowego – podejście to skupiało się właśnie na tym rodzaju pytań badaczy obliczeń kwantowych szukali. „Teraz mamy problem: znalezienie lokalnej ilości energii, co jest nadal klasycznie trudne, ale możemy powiedzieć, że jest kwantowo łatwe” – powiedział Preskill. „To stawia nas na arenie, na której chcemy uzyskać przewagę kwantową”.

Autorzy pod kierunkiem Preskilla nie tylko udowodnili skuteczność swojego nowego podejścia do określania lokalnego stanu minimalnej energii systemu – co stanowi ogromny postęp w dziedzinie fizyki kwantowej – ale także udowodnili, że jest to wreszcie problem, w którym komputery kwantowe mogą pokazać swoją wartość. „Problem znalezienia minimum lokalnego ma przewagę kwantową” – powiedział Huang.

I w przeciwieństwie do poprzednich kandydatów, ten prawdopodobnie nie zostanie zdetronizowany przez żadne nowe, klasyczne algorytmy. „Jest mało prawdopodobne, że zostanie zdekwantyzowany” – stwierdził Choi. Zespół Preskilla przyjął bardzo prawdopodobne założenia i wykonał kilka logicznych przeskoków; jeśli klasyczny algorytm może osiągnąć te same wyniki, oznacza to, że fizycy muszą się mylić w wielu innych kwestiach. „To będzie szokujący wynik” – powiedział Choi. „Będę podekscytowany, ale to będzie zbyt szokujące, żeby w to uwierzyć”. Nowa praca przedstawia wykonalnego i obiecującego kandydata do wykazania przewagi kwantowej.

Żeby było jasne, nowy wynik ma nadal charakter teoretyczny. Zademonstrowanie tego nowego podejścia na rzeczywistym komputerze kwantowym jest obecnie niemożliwe. Zbudowanie maszyny, która będzie w stanie dokładnie przetestować przewagę kwantową problemu, zajmie trochę czasu. Tak więc dla Bravyi praca dopiero się zaczyna. „Jeśli spojrzeć na to, co wydarzyło się pięć lat temu, mieliśmy tylko kilka kubitowych komputerów kwantowych, a teraz mamy już setki, a nawet 1,000 kubitowych komputerów” – powiedział. „Bardzo trudno przewidzieć, co będzie się działo za pięć czy dziesięć lat. To bardzo dynamiczna dziedzina.”

korekta: 12 marca 2024 r.
Ten artykuł został zredagowany, aby jaśniej opisać poszukiwanie problemu z przewagą kwantową.