Физики наконец нашли проблему, которую могут решить только квантовые компьютеры | Журнал Кванта

Квантовые компьютеры готовы стать вычислительной сверхдержавой, но исследователи уже давно ищут реальную проблему, которая дает квантовое преимущество — то, что может решить только квантовый компьютер. Только тогда, утверждают они, технология наконец станет важной.

Они искали десятилетия. «Одна из причин, по которой это сложно, заключается в том, что классические компьютеры довольно хороши во многих вещах, которые они делают», — сказал Джон Прекилл, физик-теоретик Калифорнийского технологического института.

В 1994 Питер Шор обнаружил одна возможность: квантовый алгоритм факторизации больших чисел. Алгоритм Шора является мощным и широко распространено мнение, что он превосходит все классические алгоритмы; при запуске на квантовом компьютере он потенциально может взломать большую часть систем безопасности Интернета, которые полагаются на сложность факторизации больших чисел. Но каким бы впечатляющим он ни был, алгоритм применим только к узкому кругу областей исследований, и вполне возможно, что завтра кто-то найдет эффективный способ факторизации больших чисел на классической машине, что сделает алгоритм Шора спорным. Узкая применимость Шора побудила исследовательское сообщество искать другие варианты использования квантовых машин, которые действительно могли бы помочь сделать новые научные открытия.

«Мы не хотим создавать компьютер только для одной задачи», — сказал Сунвон Чой, физик Массачусетского технологического института. «Что еще мы можем сделать с квантовым компьютером, кроме алгоритма Шора?»

Как говорит Прескилл: «Мы должны найти те проблемы, которые являются классически сложными, но затем мы должны [показать], что квантовые методы действительно будут эффективны».

Несколько раз исследователи думали, что им это удалось, открыв квантовые алгоритмы, способные решать проблемы быстрее, чем это мог сделать классический компьютер. Но затем кто-то — часто молодой исследователь Юин Тан — придумали новые умные классические алгоритмы, которые могли бы превзойти квантовые.

Теперь команда физиков, включая Прескилла, возможно, нашел лучшего кандидата ради квантового преимущества. Изучая энергию некоторых квантовых систем, они открыли конкретный и полезный вопрос, на который легко ответить квантовой машине, но все же сложно для классической. «Это значительный прогресс в теории квантовых алгоритмов», — сказал Сергей Бравый, физик-теоретик и ученый-компьютерщик из IBM. «Их результат является квантовым преимуществом для проблемы, имеющей отношение к химии и материаловедению».

Исследователи также воодушевлены тем, что новая работа исследует неожиданные новые области физических наук. «Эта новая возможность качественно отличается [от возможности Шора] и потенциально открывает множество новых возможностей в мире квантовых алгоритмов», — сказал Чой.

Проблема связана со свойствами квантовых систем (обычно атомов) в различных энергетических состояниях. Когда атомы переходят между состояниями, их свойства изменяются. Например, они могут излучать свет определенного цвета или становиться магнитными. Если мы хотим лучше предсказывать свойства системы в различных энергетических состояниях, это помогает понять систему, когда она находится в наименее возбужденном состоянии, которое ученые называют основным состоянием.

«Многие химики, ученые-материалисты и квантовые физики работают над поиском основных состояний», — сказал Роберт Хуанг, один из авторов новой статьи и научный сотрудник Google Quantum AI. «Известно, что это очень тяжело».

Это настолько сложно, что после более чем столетия работы исследователи до сих пор не нашли эффективный вычислительный подход к определению основного состояния системы на основе первых принципов. И у квантового компьютера, похоже, нет никакого способа сделать это. Ученые пришли к выводу, что найти основное состояние системы сложно как для классических, так и для квантовых компьютеров.

Но некоторые физические системы демонстрируют более сложный энергетический ландшафт. При охлаждении эти сложные системы довольствуются тем, что остаются не в основном состоянии, а на близлежащем низкоэнергетическом уровне, известном как локальный минимальный энергетический уровень. (Часть Нобелевской премии по физике 2021 года была присуждена за работу в одном из таких систем, известном как спиновые очки.) Исследователи начали задаваться вопросом, является ли вопрос определения локального минимального уровня энергии системы также универсально трудным.

Ответы начали появляться в прошлом году, когда Чи-Фанг (Энтони) Чен, другой автор недавней статьи, помог разработать новый квантовый алгоритм который мог бы моделировать квантовую термодинамику (которая изучает влияние тепла, энергии и работы на квантовую систему). «Я думаю, что многие люди [исследовали] вопрос о том, как выглядит энергетический ландшафт в квантовых системах, но раньше не было инструмента для его анализа», — сказал Хуанг. Алгоритм Чена помог открыть окно в то, как работают эти системы.

Увидев, насколько мощным оказался новый инструмент, Хуан и Лео Чжоу, четвертый и последний автор новой статьи, использовал ее, чтобы разработать способ, позволяющий квантовым компьютерам определять локальное минимальное энергетическое состояние системы, а не гоняться за идеальным основным состоянием — подход, который сосредоточился именно на таких вопросах, как исследователи квантовых вычислений. мы ищем. «Теперь у нас есть проблема: найти локальное количество энергии, что с классической точки зрения все еще сложно, но, как мы можем сказать, квантово легко», — сказал Прескилл. «Таким образом, это ставит нас на ту арену, на которой мы хотим получить квантовое преимущество».

Авторы под руководством Прескилла не только доказали силу своего нового подхода к определению локального минимального энергетического состояния системы — большой прогресс в области квантовой физики — но также доказали, что это наконец-то проблема, в которой квантовые компьютеры могут показать свою ценность. «Проблема поиска локального минимума имеет квантовое преимущество», — сказал Хуан.

И в отличие от предыдущих кандидатов, этот, вероятно, не будет свергнут никакими новыми классическими алгоритмами. «[Это] вряд ли будет деквантовано», – сказал Чой. Команда Прескилла сделала очень правдоподобные предположения и сделала несколько логических шагов; если классический алгоритм может достичь тех же результатов, это означает, что физики ошибаются во многих других вещах. «Это будет шокирующий результат», — сказал Чой. «Я буду рад увидеть это, но это будет слишком шокирующе, чтобы в это поверить». Новая работа представляет собой послушного и многообещающего кандидата, способного продемонстрировать квантовое преимущество.

Чтобы внести ясность, новый результат по-прежнему носит теоретический характер. Продемонстрировать этот новый подход на реальном квантовом компьютере в настоящее время невозможно. Потребуется время, чтобы создать машину, которая сможет тщательно проверить квантовое преимущество проблемы. Так что для «Бравого» работа только начинается. «Если вы посмотрите, что произошло пять лет назад, у нас было всего несколько кубитных квантовых компьютеров, а теперь у нас уже есть сотни или даже 1,000-кубитные машины», — сказал он. «Очень сложно предсказать, что произойдет через пять или десять лет. Это очень динамичная сфера».

Исправление: 12 марта 2024
Эта статья была отредактирована, чтобы более четко описать поиск проблемы квантового преимущества.