Fizicienii găsesc în sfârșit o problemă numai computerele cuantice o pot face | Revista Quanta

Calculatoarele cuantice sunt pe cale să devină superputeri computaționale, dar cercetătorii au căutat de multă vreme o problemă viabilă care să confere un avantaj cuantic - ceva ce numai un computer cuantic îl poate rezolva. Numai atunci, susțin ei, tehnologia va fi văzută în sfârșit ca esențială.

Au căutat de zeci de ani. „O parte din motivul pentru care este o provocare este că computerele clasice sunt destul de bune la multe dintre lucrurile pe care le fac”, a spus John Preskill, un fizician teoretician la Institutul de Tehnologie din California.

În 1994, Peter Shor a descoperit o posibilitate: un algoritm cuantic pentru factorizarea numerelor mari. Algoritmul lui Shor este puternic și se crede că învinge toți algoritmii clasici; atunci când este rulat pe un computer cuantic, are potențialul de a sparge multe dintre sistemele de securitate ale internetului, care se bazează pe duritatea factorizării numerelor mari. Dar, oricât de impresionant este, algoritmul este relevant doar pentru o porțiune îngustă de domenii de cercetare și este posibil ca mâine cineva să găsească o modalitate eficientă de a factoriza numere mari pe o mașină clasică, ceea ce face ca algoritmul lui Shor să fie discutabil. Aplicabilitatea restrânsă a lui Shor a determinat comunitatea de cercetare să caute alte cazuri de utilizare pentru mașinile cuantice care ar putea ajuta efectiv la realizarea de noi descoperiri științifice.

„Nu vrem să construim un computer doar pentru o singură sarcină”, a spus În curând a câștigat Choi, fizician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. „În afară de algoritmul lui Shor, ce altceva putem face cu un computer cuantic?”

După cum spune Preskill, „Trebuie să găsim acele probleme care sunt clasice grele, dar apoi trebuie să [arătăm] că metodele cuantice vor fi cu adevărat eficiente.”

De câteva ori, cercetătorii au crezut că au făcut-o, descoperind algoritmi cuantici care ar putea rezolva probleme mai repede decât orice ar putea face un computer clasic. Dar apoi cineva - adesea tânărul cercetător Ewin Tang — a venit cu noi algoritmi clasici inteligenti care i-ar putea depăși pe cei cuantici.

Acum, o echipă de fizicieni, inclusiv Preskill, poate avea a găsit cel mai bun candidat de până acum pentru avantaj cuantic. Studiind energia anumitor sisteme cuantice, ei au descoperit o întrebare specifică și utilă la care este ușor să răspundă pentru o mașină cuantică, dar totuși dificil pentru una clasică. „Acesta este un progres major în teoria algoritmilor cuantici”, a spus Serghei Bravyi, fizician teoretician și informatician la IBM. „Rezultatul lor este un avantaj cuantic pentru o problemă cu relevanță pentru chimie și științele materialelor.”

Cercetătorii sunt, de asemenea, încântați de faptul că noua lucrare explorează noi domenii neașteptate ale științelor fizice. „Această nouă capacitate este diferită calitativ [de cea a lui Shor] și poate deschide multe oportunități noi în lumea algoritmilor cuantici”, a spus Choi.

Problema are de-a face cu proprietățile sistemelor cuantice (de obicei atomii) în diferite stări de energie. Când atomii sar între stări, proprietățile lor se schimbă. Ele pot emite o anumită culoare de lumină, de exemplu, sau pot deveni magnetice. Dacă vrem să anticipăm mai bine proprietățile sistemului la diferite stări de energie, ajută la înțelegerea sistemului atunci când este în starea sa cea mai puțin excitată, la care oamenii de știință o numesc starea fundamentală.

„O mulțime de chimiști, oameni de știință ai materialelor și fizicieni cuantici lucrează la găsirea stărilor fundamentale”, a spus Robert Huang, unul dintre noii autori de lucrări și cercetător la Google Quantum AI. „Se știe că este extrem de greu.”

Este atât de greu încât, după mai mult de un secol de muncă, cercetătorii încă nu au găsit o abordare computațională eficientă pentru a determina starea fundamentală a unui sistem din primele principii. Nici nu pare să existe vreo modalitate prin care un computer cuantic să o facă. Oamenii de știință au ajuns la concluzia că găsirea stării fundamentale a unui sistem este dificilă atât pentru computerele clasice, cât și pentru cele cuantice.

Dar unele sisteme fizice prezintă un peisaj energetic mai complex. Când sunt răcite, aceste sisteme complexe se mulțumesc să nu se stabilească în starea lor fundamentală, ci mai degrabă la un nivel scăzut de energie din apropiere, cunoscut ca nivel de energie minim local. (O parte a Premiului Nobel pentru Fizică din 2021 a fost acordată pentru munca într-un astfel de set de sisteme, cunoscut sub numele de spin ochelari.) Cercetătorii au început să se întrebe dacă problema determinării nivelului minim de energie local al unui sistem a fost, de asemenea, universal dificilă.

Răspunsurile au început să apară anul trecut, când Chi-Fang (Anthony) Chen, un alt autor al lucrării recente, a ajutat la dezvoltarea unui nou algoritm cuantic care ar putea simula termodinamica cuantică (care studiază impactul căldurii, energiei și muncii asupra unui sistem cuantic). „Cred că mulți oameni au [cercetat] întrebarea despre cum arată peisajul energetic în sistemele cuantice, dar anterior nu exista niciun instrument care să-l analizeze”, a spus Huang. Algoritmul lui Chen a ajutat la deschiderea unei ferestre asupra modului în care funcționează aceste sisteme.

După ce a văzut cât de puternic era noul instrument, Huang și Leo Zhou, al patrulea și ultimul autor al noii lucrări, l-a folosit pentru a proiecta o modalitate prin care computerele cuantice pot determina starea energetică minimă locală a unui sistem, mai degrabă decât să urmărească starea de bază ideală - o abordare care s-a concentrat doar pe tipul de întrebare cercetătorii de calcul cuantic. ne uităm după. „Acum avem o problemă: găsirea unei cantități locale de energie, care este încă dificilă în mod clasic, dar despre care putem spune că este cuantic ușoară”, a spus Preskill. „Așadar, asta ne pune în arena în care vrem să fim pentru un avantaj cuantic.”

Conduși de Preskill, autorii nu numai că au demonstrat puterea noii lor abordări pentru a determina starea minimă de energie locală a unui sistem - progres major în domeniul fizicii cuantice - dar au demonstrat și că aceasta a fost în sfârșit o problemă în care computerele cuantice își puteau arăta valoarea. „Problema găsirii minimului local are un avantaj cuantic”, a spus Huang.

Și, spre deosebire de candidații anteriori, acesta probabil nu va fi detronat de niciun algoritm clasic nou. „[Este] puțin probabil să fie decuantizat”, a spus Choi. Echipa lui Preskill a făcut presupuneri foarte plauzibile și a făcut câteva salturi logice; dacă un algoritm clasic poate obține aceleași rezultate, înseamnă că fizicienii trebuie să se înșele în multe alte lucruri. „Acesta va fi un rezultat șocant”, a spus Choi. „Voi fi încântat să-l văd, dar va fi prea șocant să cred.” Noua lucrare prezintă un candidat tratabil și promițător pentru a demonstra avantajul cuantic.

Pentru a fi clar, noul rezultat este încă de natură teoretică. Demonstrarea acestei noi abordări pe un computer cuantic real este în prezent imposibilă. Va dura timp pentru a construi o mașină care poate testa în detaliu avantajul cuantic al problemei. Așadar, pentru Bravyi, munca abia începe. „Dacă te uiți la ce s-a întâmplat acum cinci ani, aveam doar câteva computere cuantice qubiți, iar acum avem deja sute sau chiar mașini de 1,000 de qubiți”, a spus el. „Este foarte greu de prezis ce se va întâmpla în cinci sau 10 ani. Este un domeniu foarte dinamic.”

Corecţie: Martie 12, 2024
Acest articol a fost editat pentru a descrie mai clar căutarea unei probleme cu avantaj cuantic.