|
Квантовые компьютеры имеют преимущество
|
|
|
|
Квантовые компьютеры обещают превзойти современные традиционные компьютеры во многих областях науки, включая химию, физику и криптографию, но доказать, что они будут превосходить их, было непросто. Самая известная проблема, в решении которой квантовые компьютеры, как ожидается, будут иметь преимущество, и которую физики называют "квантовым преимуществом", связана с разложением на множители больших чисел - сложной математической задачей, лежащей в основе защиты цифровой информации.
|
|
|
|
В 1994 году выпускник Калифорнийского технологического института Питер Шор (выпускник бакалавриата №81), работавший тогда в Bell Labs, разработал квантовый алгоритм, который позволял легко разложить на множители большое число всего за несколько секунд, в то время как решение такого рода задач на классическом компьютере заняло бы миллионы лет. В конечном счете, когда квантовые компьютеры будут готовы и заработают — а до этой цели, по словам исследователей, может пройти еще десять или более лет, — эти машины смогут быстро вычислять большие числа, лежащие в основе криптографических схем.
|
|
|
|
Но, помимо алгоритма Шора, исследователям было трудно придумать проблемы, в которых квантовые компьютеры будут иметь доказанное преимущество. В недавнем исследовании Nature Physics, озаглавленном "Локальные минимумы в квантовых системах", команда исследователей, возглавляемая Калифорнийским технологическим институтом, выявила общую физическую проблему, с решением которой эти футуристические машины справятся с успехом. Проблема связана с моделированием того, как материалы охлаждаются до их низкоэнергетических состояний.
|
|
|
|
|
|
|
"В природе мы можем поместить материал в холодильник, чтобы охладить его до состояния с наименьшей энергией", - говорит Джон Прескилл, профессор теоретической физики имени Ричарда Фейнмана, руководитель Института квантовой информации и материи Калифорнийского технологического института (IQIM), и стипендиат Amazon в Центре квантовых вычислений AWS при Калифорнийском технологическом институте. "Но моделирование того, как это происходит, является сложной задачей для квантового компьютера и еще более сложной для классического компьютера".
|
|
|
|
В новом исследовании команда сформулировала квантовый алгоритм (набор компьютерных инструкций), который теоретически может быть использован для поиска низкоэнергетических состояний - того, что физики называют локальными минимумами — любого материала. Их исследование теоретически доказывает, что алгоритм будет работать намного лучше, чем его классические аналоги.
|
|
|
|
"Это новый способ проверить квантовые преимущества", - говорит соавтор исследования Синь-Юань (Роберт) Хуан (24 года), старший научный сотрудник Google Quantum AI, который присоединился к факультету Caltech в начале апреля в качестве доцента теоретической физики. "Есть несколько других способов проверить квантовые преимущества, помимо алгоритма Шора, но пока неясно, насколько они практичны. Здесь у нас есть тест, разработанный для широкого круга областей физики, включая материаловедение, физику конденсированных сред, физику высоких энергий и химию".
|
|
|
|
Исследователи хотят найти самые низкоэнергетические или наиболее стабильные состояния материалов, чтобы предсказать, как они будут себя вести. Химики, например, использовали бы компьютеры для расчета локально минимальных энергетических состояний молекул при их оценке для фармацевтического применения. Компьютерные модели будут использоваться для прогнозирования того, как молекула будет связываться со своей биологической мишенью, что ускорит процесс создания лекарственного средства.
|
|
|
|
Самое низкоэнергетическое состояние материала называется его основным состоянием. Когда вы охлаждаете материал в холодильнике, он постепенно достигает низкоэнергетических уровней, прежде чем достигнет основного состояния. "Это все равно, что спускаться с горы и пытаться найти самое низкое место. На пути вниз вы можете остановиться на ровном плато, локальном минимуме", - говорит Прескилл. "Для классических компьютеров поиск этих локальных минимумов может оказаться действительно сложной задачей".
|
|
|
|
Классические компьютеры "застревают на том, что они считают локальным минимумом, но это не так", - объясняет Хуан. "Это похоже на то, как если бы классический компьютер думал, что это самый низкий уровень, который он может достичь, и не мог продвинуться дальше, чтобы найти истинный локальный минимум".
|
|
|
|
Квантовые компьютеры, которые основаны на причудливых свойствах субатомного мира, таких как запутанность и суперпозиция, лучше справляются с подобными задачами. Как и в случае с разложением простых чисел на множители, у них есть возможность тестировать варианты, недоступные классическим компьютерам. "Квантовые компьютеры не застрянут на этих вымышленных низкоэнергетических плато, которые представляют себе классические компьютеры, и смогут найти способы продвинуться дальше", - говорит Хуан. "Они лучше ориентируются в энергетическом ландшафте".
|
|
|
|
Соавтор Чи-Фанг (Энтони) Чен, бывший аспирант, работающий с Фернандо Брандао, профессором теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте и директором по прикладным наукам в AWS Center for Quantum Computing, ранее разрабатывал квантовые алгоритмы для ускорения запросов локальных минимумов для материалов. В этом новом исследовании команда сделала еще один шаг вперед, разработав алгоритм таким образом, чтобы окончательно доказать, что он работает лучше классических алгоритмов.
|
|
|
|
"Эта статья посвящена созданию хорошо мотивированного класса физических задач, в которых есть квантовое преимущество", - говорит Прескилл. "Квантовые компьютеры еще не готовы к использованию сегодня, но это та область, где они позволят делать более точные прогнозы".
|
|
|
|
В связанной с этим работе, также опубликованной в Nature Physics, под названием "Скрытый во времени магнитный порядок в многоорбитальном изоляторе Мотта", Дэвид Се, профессор физики Дональд А. Глейзер из Калифорнийского технологического института, вместе с Гилом Рефаэлем, профессором теоретической физики Тейлора У. Лоуренса, и их коллегами показывают, как локальные минимумы могут быть доступным экспериментально, начиная с основного состояния. В качестве демонстрационной платформы они использовали кристалл Ca2RuO4, основное состояние которого характеризуется электронными спинами, расположенными антипараллельно от одного узла решетки к другому.
|
|
|
|
Стимулируя кристалл ультракороткой вспышкой света продолжительностью менее одной пикосекунды, исследователи смогли создать в материале локальный энергетический минимум, при котором спины между участками располагаются параллельно. Это состояние параллельного выравнивания сохраняется значительно дольше микросекунд, указывая на то, что система стабильно удерживается в локальном минимуме.
|
|
|
|
По словам Прескилла, "наличие способа вычислять и экспериментально получать доступ к локальным минимумам, приводя системы в состояние, далекое от теплового равновесия, может стать способом преобразования свойств квантовых материалов по требованию".
|
|
|
|
Источник
|
