Fiziki so končno našli težavo, ki jo zmorejo le kvantni računalniki | Revija Quanta

Kvantni računalniki so pripravljeni postati računalniška velesila, vendar raziskovalci že dolgo iščejo izvedljiv problem, ki prinaša kvantno prednost – nekaj, kar lahko reši samo kvantni računalnik. Šele takrat, trdijo, bo tehnologija končno obravnavana kot bistvena.

Iščejo že desetletja. "Del razloga za izziv je, ker so klasični računalniki precej dobri v mnogih stvareh, ki jih počnejo," je dejal John Preskill, teoretični fizik na Kalifornijskem inštitutu za tehnologijo.

V 1994, Peter Šor odkril ena možnost: kvantni algoritem za faktorizacijo velikih števil. Shorov algoritem je zmogljiv in po splošnem prepričanju premaga vse klasične algoritme; ko deluje na kvantnem računalniku, lahko zlomi večino internetnih varnostnih sistemov, ki se opirajo na trdoto faktoriziranja velikih števil. Toda ne glede na to, kako impresiven je, je algoritem pomemben le za ozek del raziskovalnih področij in možno je, da bo jutri nekdo našel učinkovit način faktoriziranja velikih števil na klasičnem stroju, zaradi česar bo Shorov algoritem sporen. Shorova ozka uporabnost je vodila raziskovalno skupnost k iskanju drugih primerov uporabe kvantnih strojev, ki bi lahko dejansko pomagali pri novih znanstvenih odkritjih.

»Ne želimo zgraditi računalnika samo za eno samo nalogo,« je rekel Soonwon Choi, fizik na tehnološkem inštitutu Massachusetts. "Kaj še lahko naredimo s kvantnim računalnikom razen Shorjevega algoritma?"

Kot pravi Preskill, "moramo najti tiste probleme, ki so klasično težki, potem pa moramo [pokazati], da bodo kvantne metode res učinkovite."

Nekajkrat so raziskovalci mislili, da jim je to uspelo, saj so odkrili kvantne algoritme, ki bi lahko rešili težave hitreje kot karkoli klasičnega računalnika. Ampak potem nekdo - pogosto mladi raziskovalec Ewin Tang — je prišel do pametnih novih klasičnih algoritmov, ki bi lahko prekašali kvantne.

Zdaj je morda ekipa fizikov, vključno s Preskillom našli najboljšega kandidata doslej za kvantno prednost. S proučevanjem energije določenih kvantnih sistemov so odkrili specifično in uporabno vprašanje, na katerega je kvantnemu stroju lahko odgovoriti, klasičnemu pa še vedno težko. "To je velik napredek v teoriji kvantnih algoritmov," je dejal Sergej Bravi, teoretični fizik in računalniški znanstvenik pri IBM. "Njihov rezultat je kvantna prednost za problem, ki je pomemben za kemijo in materialne znanosti."

Raziskovalci so tudi navdušeni, da novo delo raziskuje nepričakovana nova področja fizikalnih znanosti. »Ta nova zmožnost je kvalitativno drugačna [od Shorjeve] in potencialno odpira številne nove priložnosti v svetu kvantnih algoritmov,« je dejal Choi.

Težava je povezana z lastnostmi kvantnih sistemov (običajno atomov) v različnih energijskih stanjih. Ko atomi skačejo med stanji, se spremenijo njihove lastnosti. Lahko na primer oddajajo določeno barvo svetlobe ali postanejo magnetni. Če želimo bolje napovedati lastnosti sistema pri različnih energijskih stanjih, pomaga razumeti sistem, ko je v svojem najmanj vzbujenem stanju, ki ga znanstveniki imenujejo osnovno stanje.

"Veliko kemikov, materialnih znanstvenikov in kvantnih fizikov dela na iskanju osnovnih stanj," je dejal Robert Huang, eden od avtorjev novih člankov in raziskovalec pri Google Quantum AI. "Znano je, da je izjemno težko."

Tako težko je, da po več kot stoletju dela raziskovalci še vedno niso našli učinkovitega računalniškega pristopa k določanju osnovnega stanja sistema iz prvih principov. Prav tako se ne zdi, da bi kvantni računalnik lahko to storil. Znanstveniki so ugotovili, da je iskanje osnovnega stanja sistema težko tako za klasične kot za kvantne računalnike.

Toda nekateri fizični sistemi kažejo bolj zapleteno energetsko krajino. Ko se ohladijo, se ti kompleksni sistemi zadovoljijo s tem, da se ne usedejo v svojem osnovnem stanju, temveč na bližnji nizki energijski ravni, znani kot lokalna minimalna energijska raven. (Del Nobelove nagrade za fiziko 2021 je bil podeljen za delo v enem takem nizu sistemov, znanem kot spin očala.) Raziskovalci so se začeli spraševati, ali je vprašanje določanja lokalne minimalne ravni energije sistema tudi splošno težko.

Odgovori začeli nastajati lani, ko Chi-Fang (Anthony) Chen, drugi avtor nedavnega članka, je pomagal razviti nov kvantni algoritem ki bi lahko simulirala kvantno termodinamiko (ki preučuje vpliv toplote, energije in dela na kvantni sistem). "Mislim, da je veliko ljudi [raziskovalo] vprašanje o tem, kakšna je energetska pokrajina v kvantnih sistemih, vendar prej ni bilo orodja za analizo," je dejal Huang. Chenov algoritem je pomagal odpreti okno v delovanje teh sistemov.

Ko sta videla, kako močno je novo orodje, sta Huang in Leo Zhou, četrti in zadnji avtor novega prispevka, ga je uporabil za oblikovanje načina, kako bi kvantni računalniki določili lokalno minimalno energijsko stanje sistema, namesto da bi lovili idealno osnovno stanje – pristop, ki se je osredotočal samo na vrsto vprašanj raziskovalcev kvantnega računalništva so iskali. "Zdaj imamo težavo: najti lokalno količino energije, ki je klasično še vedno težka, vendar lahko rečemo, da je kvantno enostavna," je dejal Preskill. "Torej nas postavlja v areno, kjer želimo biti zaradi kvantne prednosti."

Avtorji, ki jih je vodil Preskill, niso samo dokazali moči svojega novega pristopa za določanje lokalnega minimalnega energijskega stanja sistema - velik napredek na področju kvantne fizike - ampak so tudi dokazali, da je to končno problem, kjer bi lahko kvantni računalniki pokazali svojo vrednost. "Problem iskanja lokalnega minimuma ima kvantno prednost," je dejal Huang.

In za razliko od prejšnjih kandidatov, tega verjetno ne bodo zrinili nobeni novi klasični algoritmi. "Malo verjetno je, da bo dekvantiziran," je dejal Choi. Preskillova ekipa je naredila zelo verjetne predpostavke in naredila nekaj logičnih korakov; če lahko klasičen algoritem doseže enake rezultate, to pomeni, da se morajo fiziki motiti glede mnogih drugih stvari. "To bo šokanten rezultat," je dejal Choi. "Navdušen bom, da bom to videl, vendar bo preveč šokantno, da bi verjel." Novo delo predstavlja poslušnega in obetavnega kandidata za prikaz kvantne prednosti.

Da bi bilo jasno, je novi rezultat še vedno teoretične narave. Predstavitev tega novega pristopa na dejanskem kvantnem računalniku je trenutno nemogoča. Za izgradnjo stroja, ki bo lahko temeljito preizkusil kvantno prednost problema, bo potreben čas. Za Bravyi se delo torej šele začenja. "Če pogledate, kaj se je zgodilo pred petimi leti, smo imeli le nekaj kvantnih računalnikov qubit, zdaj pa imamo že na stotine ali celo 1,000-kubitnih strojev," je dejal. "Zelo težko je napovedati, kaj se bo zgodilo čez pet ali deset let. To je zelo dinamično področje.”

Popravek: Marec 12, 2024
Ta članek je bil urejen, da bi jasneje opisal iskanje problema s kvantno prednostjo.