การแสวงหาปริมาณควอนตัม | นิตยสารควอนต้า

เป็นเวลากว่า 40 ปีแล้วที่นักฟิสิกส์ Richard Feynman ชี้ให้เห็นว่าการสร้างอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ตามหลักการควอนตัมสามารถปลดล็อกพลังได้มากกว่าคอมพิวเตอร์ "คลาสสิก" มาก ในการกล่าวปาฐกถาพิเศษเมื่อปี พ.ศ. 1981 Feynman มักให้เครดิตกับการเปิดตัวสาขาคอมพิวเตอร์ควอนตัม โดยสรุปด้วยคำพูดที่โด่งดังในขณะนี้:

“ธรรมชาติไม่ใช่เรื่องคลาสสิกเลย และถ้าคุณต้องการสร้างแบบจำลองของธรรมชาติ คุณควรทำให้มันเป็นกลไกควอนตัม”

เป็นเวลาเกือบ 30 ปีแล้วที่นักคณิตศาสตร์ Peter Shor ได้คิดค้นการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่อาจเปลี่ยนแปลงได้เป็นครั้งแรก ความปลอดภัยส่วนใหญ่ของโลกดิจิทัลถูกสร้างขึ้นบนสมมติฐานดังกล่าว การแยกตัวประกอบจำนวนมาก เป็นงานที่ท้าทายและใช้เวลานาน Shor แสดงวิธีใช้ qubits ซึ่งเป็นวัตถุควอนตัมที่สามารถอยู่ในส่วนผสมของ 0 และ 1 เพื่อทำสิ่งนั้นในจังหวะการเต้นของหัวใจ อย่างน้อยก็สัมพันธ์กับวิธีการดั้งเดิมที่รู้จัก

นักวิจัยรู้สึกค่อนข้างมั่นใจ (แม้ว่าจะไม่แน่ใจทั้งหมด) ว่าอัลกอริธึมควอนตัมของ Shor เหนือกว่าอัลกอริธึมแบบคลาสสิกทั้งหมด เพราะถึงแม้จะมีแรงจูงใจมหาศาล แต่ก็ไม่มีใครสามารถทำลายการเข้ารหัสสมัยใหม่ด้วยเครื่องแบบคลาสสิกได้สำเร็จ แต่สำหรับงานที่ดูหรูหราน้อยกว่าการแยกตัวประกอบ ก็คือ ยากที่จะพูดอย่างแน่นอน ว่าวิธีควอนตัมจะดีกว่าหรือไม่ การค้นหาแอปพลิเคชั่นบล็อกบัสเตอร์เพิ่มเติมได้กลายเป็นเกมคาดเดาแบบจับจด

“นี่เป็นวิธีที่โง่ที่จะไปเกี่ยวกับเรื่องนี้” กล่าว คริสตัล โนเอล, นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยดุ๊ก

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา สมาพันธ์ที่หลวม ๆ ของนักฟิสิกส์ที่มีความโน้มเอียงทางคณิตศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ที่มีความโน้มเอียงทางกายภาพได้พยายามที่จะระบุพลังของอาณาจักรควอนตัมให้ชัดเจนยิ่งขึ้น เป้าหมายของพวกเขา? เพื่อหาวิธีหาปริมาณควอนตัม พวกเขาฝันถึงตัวเลขที่พวกเขาสามารถกำหนดให้กับการจัดเรียงคิวบิตที่เกิดจากการคำนวณควอนตัม หากตัวเลขต่ำ การจำลองการคำนวณนั้นบนแล็ปท็อปก็เป็นเรื่องง่าย หากค่าดังกล่าวสูง คิวบิตจะแสดงคำตอบของปัญหาที่ยากจริงๆ ซึ่งอยู่นอกเหนือการเข้าถึงของอุปกรณ์คลาสสิกใดๆ

กล่าวโดยสรุป นักวิจัยกำลังมองหาส่วนประกอบทางกายภาพที่เป็นรากฐานของพลังงานศักย์ของอุปกรณ์ควอนตัม

“นั่นคือจุดเริ่มต้นของควอนตัมในแง่ที่เข้มงวดอย่างยิ่ง” กล่าว บิล เฟฟเฟอร์แมนนักวิจัยควอนตัมจากมหาวิทยาลัยชิคาโก

ภารกิจของพวกเขาประสบผลสำเร็จ — บางทีอาจมีผลมากเกินไป แทนที่จะค้นหาตัวชี้วัดตัวเดียว นักวิจัยกลับพบว่ามีสามตัวชี้วัด แต่ละวิธีที่แตกต่างกันในการแยกอาณาจักรควอนตัมและอาณาจักรคลาสสิก ในขณะเดียวกัน นักฟิสิกส์เริ่มสงสัยว่าปริมาณที่เป็นรูปธรรมน้อยที่สุดของทั้งสามนั้นปรากฏอยู่นอกคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือไม่ การศึกษาเบื้องต้นพบว่าเป็นเช่นนั้น และอาจเสนอวิธีใหม่ในการจัดการกับขั้นตอนของสสารควอนตัมและลักษณะการทำลายล้างของหลุมดำ

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ทั้งนักฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์จึงพยายามสร้างแผนผังภูมิประเทศที่แน่นอนของอาณาจักรควอนตัมสามส่วนนี้ ฤดูร้อนนี้ กลุ่มวิจัยสามกลุ่มประกาศว่าพวกเขาได้สร้างแผนที่ที่ดีที่สุดเท่าที่จะคุ้นเคยน้อยที่สุดในสามจังหวัดนี้ โดยเพิ่มรายละเอียดที่สำคัญในการทำความเข้าใจว่าจุดสิ้นสุดแบบคลาสสิกและควอนตัมเริ่มต้นที่ใดอย่างแท้จริง

“ค่อนข้างเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจว่าขอบฟ้านี้อยู่ที่ไหน” กล่าว คามิล คอร์เซกวา ของมหาวิทยาลัย Jagiellonian ในประเทศโปแลนด์ หนึ่งในนักวิจัยที่อยู่เบื้องหลังผลงานชิ้นใหม่นี้ “จริงๆ แล้วควอนตัมเกี่ยวกับควอนตัมคืออะไร”

สิ่งกีดขวาง

ในช่วงทศวรรษ 1990 องค์ประกอบทางกายภาพที่ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทรงพลังดูเหมือนจะชัดเจน มันจะต้องเป็นเรื่องพัวพัน นั่นคือการเชื่อมโยงควอนตัม "น่ากลัว" ระหว่างอนุภาคที่อยู่ห่างไกล ซึ่ง Erwin Schrödinger ระบุว่าเป็น "ลักษณะเฉพาะของกลศาสตร์ควอนตัม"

“การพัวพันถูกกล่าวถึงอย่างรวดเร็ว” กล่าว ริชาร์ด จอซซาเป็นนักคณิตศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ “และทุกคนก็คิดว่ามันเป็นอย่างนั้น”

ดูเหมือนว่าการค้นหาเครื่องเทศควอนตัมที่สำคัญนั้นได้สิ้นสุดลงก่อนที่จะเริ่มต้นเสียอีก

การพัวพันเป็นปรากฏการณ์ที่อนุภาคควอนตัมสองตัวก่อตัวเป็นสถานะที่ใช้ร่วมกัน ได้ห่อหุ้มสิ่งที่ยากในการทำกลศาสตร์ควอนตัม และด้วยเหตุนี้คอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงสามารถเก่งในเรื่องใดได้บ้าง เมื่ออนุภาคไม่พันกัน คุณสามารถติดตามอนุภาคทีละอนุภาคได้ แต่เมื่ออนุภาคพันกัน การแก้ไขหรือจัดการอนุภาคหนึ่งในระบบจะต้องคำนึงถึงความเชื่อมโยงของมันกับอนุภาคอื่นที่พันกัน งานนั้นจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อคุณเพิ่มอนุภาคมากขึ้น เพื่อระบุสถานะของ n qubit ที่พันกัน คุณต้องมีบางอย่างเช่น 2ⁿ บิตคลาสสิก ในการคำนวณผลของการปรับแต่งหนึ่งควิบิต คุณต้องดำเนินการประมาณ 2ⁿ การดำเนินงานแบบคลาสสิก สำหรับสามคิวบิตนั้นมีเพียงแปดขั้นตอนเท่านั้น แต่สำหรับ 10 คิวบิต มันคือ 1,024 ซึ่งเป็นคำจำกัดความทางคณิตศาสตร์ของสิ่งต่าง ๆ ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็ว

ใน 2002Jozsa ช่วยคิดกระบวนการง่ายๆ ในการใช้คอมพิวเตอร์คลาสสิกเพื่อจำลอง "วงจร" ควอนตัม ซึ่งเป็นชุดการดำเนินการเฉพาะที่ทำบนคิวบิต หากคุณให้การจัดเรียงคิวบิตเบื้องต้นแก่โปรแกรมคลาสสิก มันจะทำนายการจัดเรียงครั้งสุดท้ายหลังจากที่ผ่านวงจรควอนตัมแล้ว Jozsa พิสูจน์ว่าตราบใดที่อัลกอริธึมของเขาจำลองวงจรที่ไม่พันกันกับคิวบิต ก็สามารถรองรับคิวบิตจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ โดยไม่ต้องใช้เวลานานกว่าแบบทวีคูณในการรัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง เขาแสดงให้เห็นว่าวงจรควอนตัมที่ปราศจากการพัวพันนั้นง่ายต่อการจำลองบนคอมพิวเตอร์คลาสสิก ในแง่การคำนวณ วงจรไม่ใช่ควอนตัมโดยเนื้อแท้ การรวบรวมวงจรที่ไม่พันกันทั้งหมด (หรือเทียบเท่ากับการจัดเรียงคิวบิตทั้งหมดที่อาจออกมาจากวงจรที่ไม่พันกันเหล่านี้) ก่อตัวเป็นเกาะจำลองแบบคลาสสิกในทะเลควอนตัมอันกว้างใหญ่

ในทะเลนี้มีสถานะต่างๆ ที่เกิดจากวงจรควอนตัมอย่างแท้จริง ซึ่งเป็นสภาวะที่การจำลองแบบคลาสสิกอาจใช้เวลานานหลายพันล้านปี ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงมองว่าความพัวพันไม่เพียงเป็นคุณสมบัติของควอนตัมเท่านั้น แต่ยังเป็นทรัพยากรควอนตัมด้วย นั่นคือสิ่งที่คุณต้องการเพื่อเข้าถึงความลึกที่ไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งเป็นที่ซึ่งอัลกอริธึมควอนตัมอันทรงพลังอย่าง Shor's อาศัยอยู่

ปัจจุบัน ความพัวพันยังคงเป็นทรัพยากรควอนตัมที่ได้รับการศึกษามากที่สุด “ถ้าคุณถามนักฟิสิกส์ 99 คนจาก 100 คน [สิ่งที่ทำให้วงจรควอนตัมทรงพลัง] สิ่งแรกที่เข้ามาในใจคือการพัวพัน” Fefferman กล่าว

และการวิจัยเชิงรุกเกี่ยวกับความสัมพันธ์ของการพัวพันกับความซับซ้อนยังคงดำเนินต่อไป เฟฟเฟอร์แมนและผู้ร่วมงานของเขา เช่น แสดงให้เห็นเมื่อปีที่แล้ว สำหรับวงจรควอนตัมประเภทใดประเภทหนึ่ง การพัวพันจะกำหนดว่าวงจรนั้นยากแค่ไหนในการจำลองแบบคลาสสิก “ทันทีที่คุณพัวพันถึงระดับหนึ่ง” เฟฟเฟอร์แมนกล่าว “คุณสามารถพิสูจน์ความแข็งแกร่งได้จริงๆ ไม่มีอัลกอริธึม [คลาสสิก] ที่จะใช้งานได้”

แต่ข้อพิสูจน์ของ Fefferman มีเพียงรูปแบบเดียวเท่านั้น และแม้แต่เมื่อ 20 ปีที่แล้ว นักวิจัยก็ตระหนักแล้วว่าความพัวพันเพียงอย่างเดียวไม่สามารถจับภาพความสมบูรณ์ของมหาสมุทรควอนตัมได้

“แม้จะมีบทบาทสำคัญในการพัวพัน” Jozsa และผู้ร่วมงานของเขาเขียนไว้ในรายงานปี 2002 “เรายืนยันว่าการมองว่าการพัวพันเป็นทรัพยากรสำคัญสำหรับพลังการคำนวณควอนตัมนั้นยังทำให้เข้าใจผิด”

การแสวงหาควอนตัมปรากฏว่าเพิ่งเริ่มต้นเท่านั้น

 เวทมนตร์เล็กน้อย

Jozsa รู้ว่าความยุ่งเหยิงไม่ใช่คำสุดท้ายของควอนตัม เพราะสี่ปีก่อนงานของเขา นักฟิสิกส์ แดเนียล ก็อตเตสแมน ได้แสดงให้เห็นเป็นอย่างอื่น ในการประชุมที่รัฐแทสเมเนีย ในปี 1998 Gottesman อธิบาย ในวงจรควอนตัมประเภทใดประเภทหนึ่ง ปริมาณควอนตัมที่ดูเหมือนเป็นแก่นสารกลายเป็นเรื่องเล็กสำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิกในการจำลอง

ในวิธีของ Gottesman (ซึ่งเขาได้หารือกับนักคณิตศาสตร์ Emanuel Knill) การดำเนินการที่พันกันนั้นไม่มีค่าใช้จ่ายใดๆ เลย คุณสามารถพัวพันกับ qubit ได้มากเท่าที่คุณต้องการ และคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกก็ยังตามทัน

“นี่เป็นหนึ่งในเรื่องน่าประหลาดใจแรกๆ ที่เป็นทฤษฎีบท Gottesman-Knill ในยุค 90” Korzekwa กล่าว

ความสามารถในการจำลองการพัวพันแบบคลาสสิกดูเหมือนจะเป็นเรื่องมหัศจรรย์เล็กน้อย แต่ก็มีสิ่งที่จับได้ อัลกอริธึม Gottesman-Knill ไม่สามารถจัดการวงจรควอนตัมได้ทั้งหมด เฉพาะวงจรที่ติดอยู่กับสิ่งที่เรียกว่าประตูคลิฟฟอร์ด แต่ถ้าคุณเพิ่ม "T gate" ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ดูไม่มีพิษภัยซึ่งหมุนควิบิตด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง โปรแกรมของพวกเขาก็จะขัดขวางมัน

T gate นี้ดูเหมือนจะผลิตทรัพยากรควอนตัมบางประเภท ซึ่งเป็นสิ่งที่เป็นควอนตัมภายในที่ไม่สามารถจำลองบนคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้ อีกไม่นานนักฟิสิกส์คู่หนึ่งก็จะตั้งชื่อที่ติดหูให้กับแก่นแท้ของควอนตัมที่เกิดจากการหมุนประตูทีต้องห้ามว่า เวทมนตร์

ในปี 2004 Sergey Bravyi จากสถาบัน Landau Institute for Theoretical Physics ในรัสเซีย และ Alexei Kitaev จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ได้ร่วมกันคิดแผนสองแผนในการดึงการคำนวณควอนตัมออกไป: คุณสามารถรวม T gate ไว้ในวงจรได้ หรือคุณสามารถใช้ “สถานะเวทย์มนตร์” ของคิวบิตที่เตรียมไว้ด้วยเกต T โดยวงจรอื่นและป้อนเข้าไปในวงจร Clifford ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด เวทมนตร์ก็เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการบรรลุควอนตัมเต็มรูปแบบ

ทศวรรษต่อมา Bravyi และ เดวิด กอสเซ็ตนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลูในแคนาดา ค้นพบวิธีวัดปริมาณเวทมนตร์ในชุดคิวบิต และในปี 2016 พวกเขาพัฒนาขึ้น อัลกอริธึมคลาสสิกสำหรับการจำลองวงจรเวทย์มนตร์ต่ำ โปรแกรมของพวกเขาใช้เวลานานกว่าแบบทวีคูณสำหรับทุก ๆ เกต T เพิ่มเติม แม้ว่าการเติบโตแบบเอกซ์โปเนนเชียลจะไม่รุนแรงเท่าในกรณีอื่น ๆ ในที่สุดพวกเขาก็ปรับวิธีการได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการจำลองวงจรที่ค่อนข้างมหัศจรรย์ด้วยประตูคลิฟฟอร์ดหลายร้อยประตูและประตู T เกือบ 50 ประตู

ปัจจุบัน นักวิจัยจำนวนมากใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในโหมดคลิฟฟอร์ด (หรือใกล้เคียง) เพราะพวกเขาสามารถใช้คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกเพื่อตรวจสอบว่าอุปกรณ์รถบักกี้ทำงานอย่างถูกต้องหรือไม่ วงจร Clifford “เป็นศูนย์กลางของการคำนวณควอนตัมจนยากที่จะกล่าวเกินจริง” Gosset กล่าว

ทรัพยากรควอนตัมใหม่ — เวทมนตร์ — ได้เข้ามาในเกมแล้ว แต่แตกต่างจากความพัวพันซึ่งเริ่มต้นจากปรากฏการณ์ทางกายภาพที่คุ้นเคย นักฟิสิกส์ไม่แน่ใจว่าเวทมนตร์มีความสำคัญมากนอกคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือไม่ ผลลัพธ์ล่าสุดแนะนำว่าอาจ

ในปี 2021 นักวิจัยระบุว่า บางช่วงของสสารควอนตัม ที่รับประกันว่าจะมีเวทย์มนตร์ มากพอๆ กับสสารหลายขั้นตอน รูปแบบเฉพาะของการพัวพัน. “คุณต้องมีการวัดความซับซ้อนในการคำนวณที่ละเอียดยิ่งขึ้น เช่น เวทมนตร์ เพื่อให้มีภูมิทัศน์ที่สมบูรณ์ของขั้นตอนของสสาร” กล่าว ทิโมธี เซียเป็นนักฟิสิกส์จากสถาบันปริมณฑลสำหรับฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ทำงานเกี่ยวกับผลลัพธ์นี้ และ อาลิออสเซีย ฮัมม่า แห่งมหาวิทยาลัยเนเปิลส์ พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงาน การศึกษาล่าสุด ในทางทฤษฎีจะเป็นไปได้หรือไม่ที่จะสร้างหน้าไดอารี่ที่ถูกหลุมดำกลืนเข้าไปใหม่โดยสังเกตการแผ่รังสีที่มันปล่อยออกมาเพียงอย่างเดียว คำตอบคือใช่ ฮัมมากล่าวว่า “ถ้าหลุมดำไม่มีเวทย์มนตร์มากเกินไป”

สำหรับนักฟิสิกส์หลายคน Hamma รวมอยู่ด้วย ส่วนผสมทางกายภาพที่จำเป็นในการทำให้ระบบควอนตัมขั้นสูงสุดดูชัดเจน อาจจำเป็นต้องใช้การผสมผสานระหว่างความพัวพันและเวทมนตร์บางอย่าง คนเดียวก็ไม่พอ หากรัฐมีคะแนนเป็นศูนย์ในเมตริกใดเมตริกหนึ่ง คุณสามารถจำลองรัฐนั้นบนแล็ปท็อปของคุณได้ โดยได้รับความช่วยเหลือเล็กน้อยจาก Jozsa (หากสิ่งกีดขวางเป็นศูนย์) หรือจาก Bravyi และ Gosset (หากเวทมนตร์เป็นศูนย์)

แต่การแสวงหาควอนตัมยังคงดำเนินต่อไป เพราะนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์รู้มานานแล้วว่า แม้แต่เวทมนตร์และความพัวพันก็ไม่สามารถรับประกันความเป็นควอนตัมได้จริงๆ

เฟอร์ไมโอนิก เมจิก

เมตริกควอนตัมอื่นเริ่มเป็นรูปเป็นร่างเมื่อเกือบหนึ่งในสี่ศตวรรษที่ผ่านมา แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ มีการพัฒนาน้อยที่สุดในทั้งสาม

ในปี พ.ศ. 2001 นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ เลสลี่องอาจ ค้นพบวิธีการจำลอง งานควอนตัมตระกูลที่สาม. เช่นเดียวกับที่เทคนิคของ Jozsa มุ่งเน้นไปที่วงจรที่ไม่มีเกตพันกัน และอัลกอริธึม Bravyi-Gosset สามารถตัดผ่านวงจรโดยไม่มีเกท T มากเกินไป อัลกอริธึมของ Valiant ถูกจำกัดอยู่เฉพาะวงจรที่ไม่มี "swap gate" ซึ่งเป็นการดำเนินการที่รับสองคิวบิตและแลกเปลี่ยน ตำแหน่ง

ตราบใดที่คุณไม่แลกเปลี่ยน qubit คุณสามารถพันพวกมันและใส่เวทมนตร์ได้มากเท่าที่คุณต้องการ และคุณจะยังคงพบว่าตัวเองอยู่บนเกาะคลาสสิกที่โดดเด่นอีกเกาะหนึ่ง แต่ทันทีที่คุณเริ่มสับคิวบิตไปรอบๆ คุณจะสามารถทำงานได้อย่างมหัศจรรย์เกินกว่าความสามารถของคอมพิวเตอร์คลาสสิกเครื่องอื่นๆ

มัน “ค่อนข้างแปลกประหลาด” Jozsa กล่าว “การแลกเปลี่ยนสองคิวบิตจะทำให้คุณมีพลังทั้งหมดได้อย่างไร”

ภายในเวลาไม่กี่เดือน นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี บาร์บารา เทอร์ฮาล และเดวิด ดิวินเชนโซ ก็ได้ค้นพบ แหล่งที่มาของพลังนั้น. พวกเขาแสดงให้เห็นว่าวงจรที่ไม่มีประตูสลับของ Valiant ซึ่งเรียกว่าวงจร "ประตูจับคู่" กำลังจำลองปัญหาทางฟิสิกส์ประเภทหนึ่งที่รู้จักกันดี คล้ายกับวิธีที่คอมพิวเตอร์จำลองกาแลคซีที่กำลังเติบโตหรือปฏิกิริยานิวเคลียร์ (โดยไม่ต้องเป็นกาแลคซีหรือปฏิกิริยานิวเคลียร์จริงๆ) วงจรไม้ขีดไฟจะจำลองกลุ่มเฟอร์มิออน ซึ่งเป็นตระกูลของอนุภาคมูลฐานที่มีอิเล็กตรอน

เมื่อไม่ได้ใช้ประตูสว็อป เฟอร์มิออนจำลองจะไม่โต้ตอบหรือ "อิสระ" พวกเขาไม่เคยชนกัน ปัญหาเกี่ยวกับอิเล็กตรอนอิสระค่อนข้างง่ายสำหรับนักฟิสิกส์ที่จะแก้ปัญหา บางครั้งอาจใช้ดินสอและกระดาษด้วยซ้ำ แต่เมื่อใช้ประตูสลับ เฟอร์มิออนจำลองจะโต้ตอบ ชนกันและทำสิ่งที่ซับซ้อนอื่นๆ ปัญหาเหล่านี้ยากมากหากแก้ไขไม่ได้

เนื่องจากวงจรแมทช์เกตจำลองพฤติกรรมของเฟอร์มิออนที่อิสระและไม่โต้ตอบ จึงจำลองแบบคลาสสิกได้ง่าย

แต่หลังจากการค้นพบครั้งแรก วงจรไม้ขีดไฟส่วนใหญ่ยังไม่มีใครสำรวจ สิ่งเหล่านี้ไม่เกี่ยวข้องกับความพยายามในการคำนวณควอนตัมกระแสหลักมากนัก และวิเคราะห์ได้ยากกว่ามาก

ที่เปลี่ยนแปลงไปในช่วงฤดูร้อนที่ผ่านมา นักวิจัยสามกลุ่มนำงานของ Bravyi, Gosset และผู้ร่วมงานมาจัดการกับปัญหานี้อย่างเป็นอิสระ ซึ่งเป็นจุดตัดกันของการวิจัยโดยบังเอิญ ซึ่งอย่างน้อยก็ในกรณีหนึ่งถูกค้นพบเมื่อเฟอร์มิออนขึ้นมาบนกาแฟ (เหมือนที่พวกเขามักจะทำเมื่อนักฟิสิกส์ได้รับ ด้วยกัน).

ทีมงานได้ประสานงาน ปล่อย of ของพวกเขา ผลการวิจัย ในเดือนกรกฎาคม

ทั้งสามกลุ่มได้ปรับเปลี่ยนเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่ผู้บุกเบิกเวทมนตร์ได้พัฒนาขึ้นใหม่เพื่อสำรวจวงจรคลิฟฟอร์ด และนำไปประยุกต์ใช้กับขอบเขตของวงจรประตูไม้ขีดไฟ เซอร์กี้ สเตรลชุค และ โจชัว คัดบี ของเคมบริดจ์มุ่งเน้นไปที่การวัดทรัพยากรควอนตัมทางคณิตศาสตร์ที่วงจรแมทช์เกตขาด ตามแนวคิดแล้ว ทรัพยากรนี้สอดคล้องกับ "การโต้ตอบ" หรือปริมาณเฟอร์มิออนที่จำลองสามารถรับรู้ถึงกันและกันได้มากเพียงใด ไม่มีการโต้ตอบใด ๆ ที่ง่ายต่อการจำลองแบบคลาสสิกและการโต้ตอบที่มากขึ้นทำให้การจำลองยากขึ้น แต่การโต้ตอบที่เพิ่มขึ้นทำให้การจำลองยากขึ้นแค่ไหน? และมีทางลัดอะไรบ้าง?

“เราไม่มีสัญชาตญาณ เราต้องเริ่มจากศูนย์” Strelchuk กล่าว

อีกสองกลุ่มพัฒนาวิธีการแบ่งรัฐที่ยากต่อการจำลองหนึ่งรัฐให้กลายเป็นรัฐที่จำลองง่ายกว่าจำนวนมหาศาล ขณะเดียวกันก็คอยติดตามว่ารัฐที่ง่ายกว่าเหล่านี้ถูกยกเลิกไปที่ไหนและรวมเข้าด้วยกันที่ไหน

ผลลัพธ์ที่ได้คือพจนานุกรมประเภทหนึ่งสำหรับการย้ายอัลกอริธึมการจำลองแบบคลาสสิกจากโลกคลิฟฟอร์ดไปยังโลกประตูไม้ขีดไฟ “โดยพื้นฐานแล้วทุกสิ่งที่พวกเขามีสำหรับวงจร [Clifford] สามารถแปลได้แล้ว” กล่าว บีทริซ ดิอาสนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเทคนิคในมิวนิก “ดังนั้นเราจึงไม่จำเป็นต้องสร้างอัลกอริทึมเหล่านี้ขึ้นมาใหม่”

ในปัจจุบัน อัลกอริธึมที่เร็วขึ้นสามารถจำลองวงจรแบบคลาสสิกได้โดยใช้เกตสลับเพียงไม่กี่ตัว เช่นเดียวกับสิ่งกีดขวางและเวทมนตร์ อัลกอริธึมใช้เวลานานกว่าแบบทวีคูณด้วยการเพิ่มประตูต้องห้ามแต่ละบาน แต่อัลกอริธึมแสดงถึงก้าวสำคัญไปข้างหน้า

โอลิเวอร์ เรียดดอน-สมิธซึ่งทำงานร่วมกับ Korzekwa และ มิคาล ออสซมาเนียค ของ Polish Academy of Sciences ในกรุงวอร์ซอ ประมาณการว่าโปรแกรมของพวกเขาสามารถจำลองวงจรที่มีประตูสลับราคาแพง 10 ประตูได้เร็วกว่าวิธีก่อนหน้านี้ถึง 3 ล้านเท่า อัลกอริธึมของพวกเขาช่วยให้คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกสามารถเจาะลึกเข้าไปในทะเลควอนตัมได้ลึกขึ้นอีกเล็กน้อย ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ช่วยเสริมความสามารถของเราในการยืนยันประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัม และขยายภูมิภาคที่ไม่มีแอปควอนตัมนักฆ่าตัวใดอยู่ได้

“การจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประโยชน์สำหรับคนจำนวนมาก” เรียด-สมิธกล่าว “เราต้องการทำมันอย่างรวดเร็วและถูกที่สุดเท่าที่จะทำได้”

สำหรับสิ่งที่เรียกว่าทรัพยากร "การโต้ตอบ" ที่แลกเปลี่ยนเกทนั้นยังไม่มีชื่ออย่างเป็นทางการ บางคนเรียกมันว่าเวทย์มนตร์ และบางคนก็ใช้คำที่ไม่ได้ตั้งใจ เช่น "สิ่งที่ไม่ใช่เฟอร์มิโอนิก" Strelchuk ชอบ "เวทมนตร์เฟอร์มิโอนิก"

หมู่เกาะเพิ่มเติมบนขอบฟ้า

ขณะนี้นักวิจัยกำลังพัฒนาควอนตัมเชิงปริมาณอย่างสะดวกสบายโดยใช้เมตริก XNUMX ตัว ซึ่งแต่ละเมตริกสอดคล้องกับหนึ่งในสามวิธีการจำลองแบบคลาสสิก หากคอลเลกชันของ qubit ส่วนใหญ่ไม่พันกัน มีเวทย์มนตร์เพียงเล็กน้อย หรือจำลองเฟอร์มิออนที่เกือบเป็นอิสระจำนวนหนึ่ง นักวิจัยก็รู้ว่าพวกเขาสามารถทำซ้ำเอาต์พุตของมันบนแล็ปท็อปคลาสสิกได้ วงจรควอนตัมใดๆ ที่มีคะแนนต่ำในหนึ่งในสามตัวชี้วัดควอนตัมนี้จะอยู่ในบริเวณน้ำตื้นนอกชายฝั่งของเกาะคลาสสิก และจะไม่ใช่อัลกอริทึมถัดไปของ Shor อย่างแน่นอน

“ท้ายที่สุดแล้ว [การศึกษาการจำลองแบบคลาสสิก] จะช่วยให้เราเข้าใจว่าความได้เปรียบด้านควอนตัมสามารถพบได้ที่ใด” Gosset กล่าว

แต่ยิ่งนักวิจัยคุ้นเคยมากขึ้นด้วยวิธีต่างๆ ทั้งสามนี้ในการวัดว่าควอนตัมพวงของคิวบิตสามารถเป็นได้อย่างไร ความฝันเริ่มแรกในการค้นหาตัวเลขตัวเดียวที่รวบรวมทุกแง่มุมของควอนตัมก็จะยิ่งเข้าใจผิดมากขึ้นเท่านั้น ในการคำนวณอย่างเคร่งครัด วงจรใดๆ จะต้องมีเวลาที่สั้นที่สุดเพียงครั้งเดียวในการจำลองโดยใช้อัลกอริธึมที่เร็วที่สุดที่เป็นไปได้ทั้งหมด แต่ความพัวพัน เวทมนตร์ และเวทมนตร์เฟอร์ไมโอนิกค่อนข้างจะแตกต่างกัน ดังนั้นโอกาสที่จะรวมพวกมันเข้าด้วยกันภายใต้เมตริกควอนตัมแกรนด์เดียวเพื่อคำนวณว่าระยะเวลาดำเนินการที่สั้นที่สุดสัมบูรณ์ดูเหมือนห่างไกล

“ฉันไม่คิดว่าคำถามนั้นสมเหตุสมผล” Jozsa กล่าว “ไม่มีสิ่งใดเลยที่ถ้าคุณตักมันเข้าไปมากขึ้น คุณจะได้รับพลังมากขึ้น”

แต่ทรัพยากรควอนตัมทั้งสามดูเหมือนจะเป็นสิ่งประดิษฐ์ของภาษาทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการอัดความซับซ้อนของควอนตัมให้เป็นกรอบที่เรียบง่ายกว่า ความพัวพันกลายเป็นทรัพยากรเมื่อคุณฝึกกลศาสตร์ควอนตัมตามวิธีที่ชโรดิงเงอร์สรุปไว้ ซึ่งใช้สมการบาร์นี้เพื่อทำนายว่าฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในอนาคต นี่เป็นเวอร์ชันตำราเรียนเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม แต่ไม่ใช่เวอร์ชันเดียว

เมื่อ Gottesman พัฒนาวิธีการของเขาในการจำลองวงจร Clifford เขาได้ใช้กลศาสตร์ควอนตัมแบบเก่าที่หลากหลายซึ่งพัฒนาโดย Werner Heisenberg ในภาษาคณิตศาสตร์ของไฮเซนเบิร์ก สถานะของอนุภาคไม่เปลี่ยนแปลง แต่เป็น "ตัวดำเนินการ" ซึ่งเป็นวัตถุทางคณิตศาสตร์ที่คุณอาจใช้เพื่อทำนายโอกาสของการสังเกตบางอย่างที่พัฒนาขึ้น การจำกัดมุมมองของเฟอร์มิออนอิสระเกี่ยวข้องกับการดูกลศาสตร์ควอนตัมผ่านเลนส์ทางคณิตศาสตร์อีกแบบหนึ่ง

ภาษาทางคณิตศาสตร์แต่ละภาษาสามารถจับลักษณะบางอย่างของสถานะควอนตัมได้อย่างฉะฉาน แต่ต้องแลกมาด้วยราคาของการบิดเบือนคุณสมบัติควอนตัมอื่นๆ คุณสมบัติที่แสดงออกอย่างงุ่มง่ามเหล่านี้กลายเป็นทรัพยากรควอนตัมในกรอบทางคณิตศาสตร์นั้น - เวทมนตร์ สิ่งกีดขวาง และเวทมนตร์เฟอร์ไมโอนิก Jozsa คาดการณ์ว่าการเอาชนะข้อจำกัดนี้และการระบุคุณลักษณะควอนตัมหนึ่งเดียวเพื่อควบคุมคุณสมบัติทั้งหมดนั้น จะต้องเรียนรู้ภาษาทางคณิตศาสตร์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดเพื่อแสดงกลศาสตร์ควอนตัม และมองหาลักษณะสากลที่พวกเขาอาจมีร่วมกัน

นั่นไม่ใช่ข้อเสนอการวิจัยที่จริงจังนัก แต่นักวิจัยกำลังศึกษาภาษาควอนตัมเพิ่มเติมนอกเหนือจากภาษาหลักสามภาษาหลัก และทรัพยากรควอนตัมที่เกี่ยวข้องที่มาพร้อมกับภาษาเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น Hsieh มีความสนใจในขั้นตอนของสสารควอนตัมที่สร้างความน่าจะเป็นเชิงลบที่ไร้สาระเมื่อวิเคราะห์ด้วยวิธีมาตรฐาน เขาค้นพบแง่ลบนี้สามารถกำหนดขั้นตอนบางอย่างของสสารได้เช่นเดียวกับที่เวทมนตร์สามารถทำได้

หลายทศวรรษที่ผ่านมา ดูเหมือนว่าคำตอบสำหรับคำถามที่ว่าอะไรทำให้ควอนตัมของระบบนั้นชัดเจน ปัจจุบันนักวิจัยรู้ดียิ่งขึ้น หลังจากใช้เวลา 20 ปีในการสำรวจเกาะคลาสสิกแรกๆ หลายๆ เกาะ หลายคนสงสัยว่าการเดินทางของพวกเขาอาจจะไม่มีวันสิ้นสุด แม้ว่าพวกเขายังคงปรับปรุงความเข้าใจว่าพลังควอนตัมไม่ได้อยู่ที่ไหน พวกเขารู้ว่าพวกเขาอาจไม่สามารถบอกได้อย่างแม่นยำว่าพลังควอนตัมอยู่ที่ไหน

ควอนตั้ม กำลังดำเนินการสำรวจชุดต่างๆ เพื่อให้บริการผู้ชมของเราได้ดียิ่งขึ้น เอาของเรา แบบสำรวจผู้อ่านฟิสิกส์ และคุณจะถูกป้อนเพื่อรับรางวัลฟรี ควอนตั้ม สินค้า.