Fysiker hittar äntligen ett problem som bara kvantdatorer kan göra | Quanta Magazine

Kvantdatorer är redo att bli beräkningssuperkrafter, men forskare har länge sökt ett livskraftigt problem som ger en kvantfördel - något som bara en kvantdator kan lösa. Först då, menar de, kommer tekniken äntligen att ses som väsentlig.

De har letat i decennier. "En del av anledningen till att det är utmanande är att klassiska datorer är ganska bra på många av de saker de gör," sa John Preskill, en teoretisk fysiker vid California Institute of Technology.

1994, Peter Shor upptäckte en möjlighet: en kvantalgoritm för att faktorisera stora tal. Shors algoritm är kraftfull och anses allmänt slå alla klassiska algoritmer; när den körs på en kvantdator har den potentialen att bryta mycket av internets säkerhetssystem, som är beroende av hårdheten i att faktorisera stora siffror. Men hur imponerande den än är, algoritmen är endast relevant för en smal del av forskningsområden, och det är möjligt att någon imorgon kommer att hitta ett effektivt sätt att faktorisera stora siffror på en klassisk maskin, vilket gör Shors algoritm omtvistad. Shors snäva tillämplighet har fått forskarvärlden att söka efter andra användningsfall för kvantmaskiner som faktiskt kan hjälpa till att göra nya vetenskapliga upptäckter.

"Vi vill inte bygga en dator bara för en enda uppgift," sa Soonwon Choi, fysiker vid Massachusetts Institute of Technology. "Förutom Shors algoritm, vad mer kan vi göra med en kvantdator?"

Som Preskill uttrycker det, "Vi måste hitta de problem som är klassiskt svåra, men då måste vi [visa] att kvantmetoderna verkligen kommer att vara effektiva."

Några gånger trodde forskare att de hade gjort det och upptäckt kvantalgoritmer som kunde lösa problem snabbare än något en klassisk dator kunde göra. Men så någon — ofta den unge forskaren Ewin Tang — kom med smarta nya klassiska algoritmer som kunde överträffa kvantalgoritmerna.

Nu kan ett team av fysiker inklusive Preskill ha hittat den bästa kandidaten hittills för kvantfördelar. Genom att studera energin i vissa kvantsystem upptäckte de en specifik och användbar fråga som är lätt för en kvantmaskin att svara på, men fortfarande svår för en klassisk. "Detta är stora framsteg inom kvantalgoritmteorin," sa Sergey Bravyi, en teoretisk fysiker och datavetare vid IBM. "Deras resultat är en kvantfördel för ett problem med relevans för kemi och materialvetenskap."

Forskare är också glada över att det nya verket utforskar oväntade nya områden inom de fysiska vetenskaperna. "Denna nya förmåga är kvalitativt annorlunda [än Shors] och öppnar potentiellt många nya möjligheter i världen av kvantalgoritmer," sa Choi.

Problemet har att göra med egenskaperna hos kvantsystem (typiskt atomer) i olika energitillstånd. När atomerna hoppar mellan tillstånd ändras deras egenskaper. De kan till exempel avge en viss ljusfärg eller bli magnetiska. Om vi ​​vill bättre förutsäga systemets egenskaper vid olika energitillstånd, hjälper det att förstå systemet när det är i sitt minst exciterade tillstånd, vilket forskare refererar till som grundtillståndet.

"Många kemister, materialvetare och kvantfysiker arbetar med att hitta grundtillstånd," sa Robert Huang, en av de nya pappersförfattarna och en forskare vid Google Quantum AI. "Det är känt att det är extremt svårt."

Det är så svårt att efter mer än ett sekels arbete har forskare fortfarande inte hittat en effektiv beräkningsmetod för att bestämma ett systems grundtillstånd från första principer. Det verkar inte heller finnas något sätt för en kvantdator att göra det. Forskare har kommit fram till att det är svårt för både klassiska och kvantdatorer att hitta ett systems grundtillstånd.

Men vissa fysiska system uppvisar ett mer komplext energilandskap. När de kyls nöjer sig dessa komplexa system med att inte sedimentera i sitt marktillstånd, utan snarare på en närliggande låg energinivå, känd som en lokal minimienerginivå. (En del av Nobelpriset i fysik 2021 delades ut för arbete i en sådan uppsättning system, känd som snurra glasögon.) Forskare började undra om frågan om att bestämma ett systems lokala minimienerginivå också var allmänt svår.

Svaren började dyka upp förra året, när Chi-Fang (Anthony) Chen, en annan författare till den senaste uppsatsen, hjälpte till att utveckla en ny kvantealgoritm som skulle kunna simulera kvanttermodynamik (som studerar effekten av värme, energi och arbete på ett kvantsystem). "Jag tror att många människor har [forskat] frågan om hur energilandskapet ser ut i kvantsystem, men tidigare fanns det inget verktyg för att analysera det," sa Huang. Chens algoritm hjälpte till att öppna ett fönster till hur dessa system fungerar.

Efter att ha sett hur kraftfullt det nya verktyget var, Huang och Leo Zhou, den fjärde och sista författaren till den nya artikeln, använde den för att designa ett sätt för kvantdatorer att bestämma ett systems lokala minimienergitillstånd, snarare än att jaga det ideala grundtillståndet – ett tillvägagångssätt som fokuserade på just den typen av frågeställning som kvantberäkningsforskare vi letar efter. "Nu har vi ett problem: att hitta en lokal mängd av energin, som fortfarande är svår klassiskt, men som vi kan säga är kvantmässigt lätt," sa Preskill. "Så det sätter oss på arenan där vi vill vara för kvantfördelar."

Ledda av Preskill bevisade författarna inte bara kraften i deras nya tillvägagångssätt för att bestämma ett systems lokala minimienergitillstånd - stora framsteg inom kvantfysikområdet - utan bevisade också att detta äntligen var ett problem där kvantdatorer kunde visa sitt värde. "Problemet med att hitta lokalt minimum har kvantfördelar," sa Huang.

Och till skillnad från tidigare kandidater kommer den här förmodligen inte att avsättas av några nya klassiska algoritmer. "[Det är] osannolikt att dekvantiseras," sa Choi. Preskills team gjorde mycket rimliga antaganden och tog några logiska steg; om en klassisk algoritm kan uppnå samma resultat, betyder det att fysiker måste ha fel om många andra saker. "Det kommer att bli ett chockerande resultat," sa Choi. "Jag kommer att bli spännande att se det, men det kommer att bli för chockerande för att tro." Det nya verket presenterar en lättlärd och lovande kandidat för att visa kvantfördelar.

För att vara tydlig är det nya resultatet fortfarande av teoretisk karaktär. Att demonstrera detta nya tillvägagångssätt på en verklig kvantdator är för närvarande omöjligt. Det kommer att ta tid att bygga en maskin som noggrant kan testa problemets kvantfördelar. Så för Bravyi har arbetet bara börjat. "Om du tittar på vad som hände för fem år sedan hade vi bara några få kvantdatorer med kvantum, och nu har vi redan hundratals eller till och med 1,000 10 kvantbitar," sa han. "Det är väldigt svårt att förutsäga vad som skulle hända om fem eller tio år. Det är ett väldigt dynamiskt fält.”

Rättelse: Mars 12, 2024
Den här artikeln har redigerats för att tydligare beskriva sökandet efter ett problem med kvantfördelar.