W miarę nasilenia się rywalizacji między obliczeniami kwantowymi i klasycznymi naukowcy dokonują nieoczekiwanych odkryć na temat systemów kwantowych.
Klasyczne komputery osiągnęły lepsze wyniki niż komputer kwantowy w symulacjach dwuwymiarowego układu magnesów kwantowych, wykazując nieoczekiwane zjawiska uwięzienia. Odkrycie dokonane przez badaczy z Flatiron Institute na nowo definiuje praktyczne ograniczenia obliczenia kwantowe i poprawia zrozumienie kwantowo-klasycznych granic obliczeniowych.
Klasyczny komputer triumfuje nad przewagą kwantową
Na początku tego roku badacze z Centrum Obliczeniowej Fizyki Kwantowej (CCQ) Instytutu Flatiron ogłosili, że z powodzeniem wykorzystali klasyczny komputer i wyrafinowane modele matematyczne, aby znacznie przewyższyć komputer kwantowy w zadaniu, które według niektórych były w stanie rozwiązać tylko komputery kwantowe.
Teraz badacze ustalili, dlaczego udało im się pokonać komputer kwantowy w jego własnej grze. Ich odpowiedź, przedstawiona 29 października w Listy z przeglądu fizycznegopokazuje, że rozwiązany przez nich problem kwantowy – obejmujący konkretny dwuwymiarowy układ kwantowy obracających się magnesów – wykazuje zachowanie znane jako zamknięcie. Takie zachowanie było wcześniej obserwowane w kwantowej fizyce materii skondensowanej tylko w układach jednowymiarowych.
To nieoczekiwane odkrycie pomaga naukowcom lepiej zrozumieć linię dzielącą możliwości komputerów kwantowych i klasycznych oraz zapewnia ramy do testowania nowych symulacji kwantowych, mówi główny autor Joseph Tindall, pracownik naukowy w CCQ.
Wyjaśnianie granic kwantowych
„Istnieje pewna granica oddzielająca to, co można zrobić za pomocą obliczeń kwantowych, od tego, co można zrobić za pomocą komputerów klasycznych” – mówi. „W tej chwili ta granica jest niezwykle niewyraźna. Myślę, że nasza praca pomoże nieco lepiej wyjaśnić tę granicę”.
Wykorzystując zasady mechaniki kwantowej, komputery kwantowe obiecują ogromne korzyści w zakresie mocy obliczeniowej i szybkości w porównaniu z komputerami klasycznymi. Podczas gdy klasyczne obliczenia są ograniczone binarnymi operacjami zer i jedynek, komputery kwantowe mogą wykorzystywać kubity, które mogą reprezentować jednocześnie 0 i 1, do przetwarzania informacji w zasadniczo inny sposób.
Technologia kwantowa jest jednak wciąż w powijakach i jeszcze w przekonujący sposób nie wykazała swojej wyższości nad klasycznymi komputerami. Naukowcy pracując nad ustaleniem, gdzie komputery kwantowe mogą mieć przewagę, napotykają złożone problemy, które testują ograniczenia komputerów klasycznych i kwantowych.
Rzucanie wyzwania supremacji kwantowej
Wyniki jednego z niedawnych testów komputerów kwantowych opublikowano w czerwcu 2023 r., kiedy badacze IBM opublikowali artykuł w czasopiśmie Natura. W artykule szczegółowo opisano eksperyment symulujący system z szeregiem maleńkich obracających się magnesów ewoluujących w czasie. Naukowcy twierdzili, że taką symulację można przeprowadzić jedynie przy użyciu komputera kwantowego, a nie klasycznego. Dowiedziawszy się o nowej gazecie z doniesień prasowych, Tindall zdecydował się podjąć wyzwanie.
Tindall współpracował z kolegami przez ostatnie kilka lat nad opracowaniem lepszych algorytmów i kodów do rozwiązywania złożonych problemów kwantowych za pomocą klasycznych komputerów. Zastosował te metody do symulacji IBM i w ciągu zaledwie dwóch tygodni udowodnił, że może rozwiązać problem przy bardzo małej mocy obliczeniowej — można to zrobić nawet na smartfonie.
„Tak naprawdę nie wprowadziliśmy żadnych nowatorskich technik” – mówi Tindall. „Połączyliśmy wiele pomysłów w zwięzły i elegancki sposób, dzięki czemu problem można było rozwiązać. Była to metoda przeoczona przez IBM i niełatwa do wdrożenia bez dobrze napisanego oprogramowania i kodów”.
Odkrywanie uwięzienia kwantowego
Tindall i jego współpracownicy opublikowali swoje ustalenia w czasopiśmie PRX Quantum w styczniu 2024 r., ale Tindall na tym nie poprzestał. Zainspirowany prostotą wyników on i jego współautor Dries Sels z Flatiron Institute i Uniwersytet Nowojorski postanowili ustalić, dlaczego system ten można tak łatwo rozwiązać za pomocą klasycznego komputera, choć na pozór wydaje się to bardzo złożonym problemem.
„Zaczęliśmy zastanawiać się nad tym pytaniem i zauważyliśmy wiele podobieństw w zachowaniu systemu do czegoś, co ludzie widzieli w jednym wymiarze, zwanego zamknięciem” – mówi Tindall.
Uwięzienie to zjawisko, które może wystąpić w szczególnych okolicznościach w zamkniętych układach kwantowych i jest analogiczne do uwięzienia kwarkowego znanego w fizyce cząstek elementarnych. Aby zrozumieć uwięzienie, zacznijmy od podstaw kwantowych. W skalach kwantowych pojedynczy magnes może być skierowany w górę lub w dół lub może znajdować się w „superpozycji” – stanie kwantowym, w którym skierowany jest jednocześnie w górę i w dół. To, jak magnes jest w górę lub w dół, wpływa na ilość energii, jaką posiada, gdy znajduje się w polu magnetycznym.
Ograniczone splątanie w układach zamkniętych
W początkowej konfiguracji systemu wszystkie magnesy były skierowane w tym samym kierunku. Następnie system został zaburzony niewielkim polem magnetycznym, co spowodowało, że niektóre magnesy chciały się odwrócić, co również zachęciło do odwrócenia się sąsiednich magnesów. Takie zachowanie – gdy magnesy wpływają na siebie nawzajem – może prowadzić do splątania, czyli połączenia superpozycji magnesów. Z biegiem czasu zwiększone splątanie systemu utrudnia symulację klasycznego komputera.
Jednak w systemie zamkniętym jest tylko tyle energii, ile można przepłynąć. W swoim zamkniętym układzie Tindall i Sels wykazali, że energia jest wystarczająca tylko do odwrócenia małych, słabo oddzielonych skupisk orientacji, bezpośrednio ograniczając wzrost splątania. To oparte na energii ograniczenie splątania znane jest jako zamknięcie i pojawiło się jako całkowicie naturalna konsekwencja dwuwymiarowej geometrii układu.
„W tym systemie magnesy nie będą nagle się podnosić; w rzeczywistości będą po prostu oscylować wokół stanu początkowego, nawet w bardzo długich okresach czasu” – mówi Tindall. „Jest to dość interesujące z punktu widzenia fizyki, ponieważ oznacza, że system pozostaje w stanie, który ma bardzo specyficzną strukturę, a nie tylko jest całkowicie nieuporządkowany”.
Odkrycie modelu matematycznego ograniczenia
Nieoczekiwanie IBM w swoim wstępnym teście napotkał problem polegający na tym, że organizacja magnesów w zamknięty dwuwymiarowy układ prowadziła do zamknięcia. Tindall i Sels zdali sobie sprawę, że skoro zamknięcie systemu zmniejsza stopień splątania, dzięki temu problem jest na tyle prosty, że można go opisać metodami klasycznymi. Korzystając z symulacji i obliczeń matematycznych, Tindall i Sels opracowali prosty, dokładny model matematyczny opisujący to zachowanie.
Nowe ścieżki w fizyce kwantowej
„Jednym z największych otwartych pytań w fizyce kwantowej jest zrozumienie, kiedy splątanie rośnie szybko, a kiedy nie” – mówi Tindall. „Ten eksperyment pozwala nam dobrze zrozumieć przykład, w którym nie uzyskujemy splątania na dużą skalę ze względu na zastosowany model i dwuwymiarową strukturę procesora kwantowego”.
Wyniki sugerują, że samo zamknięcie może pojawić się w szeregu dwuwymiarowych układów kwantowych. Jeśli tak, model matematyczny opracowany przez Tindalla i Selsa oferuje nieocenione narzędzie do zrozumienia fizyki zachodzącej w tych układach. Ponadto kody użyte w artykule mogą stanowić narzędzie porównawcze dla naukowców zajmujących się eksperymentami podczas opracowywania nowych symulacji komputerowych dla innych problemów kwantowych.
Odniesienie: „Uwięzienie w modelu poprzecznego pola isingowego na ciężkiej siatce sześciokątnej” Josepha Tindalla i Driesa Selsa, 29 października 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.180402
