Kvantna nadmoć naišla na neočekivanog rivala - običan laptop opremljen novom matematikom

Koristeći konvencionalni kompjuter i najsavremenije matematičke alate i kod, fizičari iz Centra za računarsku kvantnu fiziku Fondacije Simons i saradnici sa Bostonskog univerziteta rešavaju veliki problem kvantne fizike za koji se ranije tvrdilo da ga mogu rešiti samo kvantni računari. Tehnika je toliko revolucionarna da su istraživači čak koristili lični laptop za rešavanje problema.

Omogućavajući naučnicima da izvuku dodatnu snagu za rešavanje problema iz klasičnih računara, nova metodologija otvara nove puteve za istraživanje o kvantnoj dinamici i može poslužiti kao protokol za rešavanje problema u pogledu pronalaženja optimalnog rešenja među mnogobrojnim mogućim rešenjima.

Preporučujemo

Problem uključuje simulaciju kvantnog sistema sastavljenog od stotina kubita (kvantnog ekvivalenta bitova koje koriste klasični računari) u interakciji — raspoređenih u kvadratne, kubne ili dijamantske rešetke. Dok bitovi mogu imati vrednosti 0 ili 1, kubiti mogu postojati u superpoziciji multiplih vrednosti, što tradicionalnim računarima otežava da simuliraju njihovu dinamiku.

U članku iz marta 2025, istraživači kvantnog računarstva kažu da su izračunali dinamiku naročito složenog sistema kubita koristeći kvantni kompjuter. Tvrdili su da je njihov podvig nemoguć za klasične kompjutere.

Zašto je teško simulirati mnogo kubita

Rad je naročito nezgodan zbog kvantnog sprezanja, što znači da kubiti ne mogu biti tretirani individualno, čak ni kada su veoma udaljeni jedan od drugog. Ta spregnutost zahteva složene algoritme da bi joj se pristupilo.

„Kad imate mnogo čestica u interakciji putem kvantne fizike, imate talasnu funkciju koja opisuje stanje sistema. To je ogroman objekat koji vrlo brzo postaje sve veći što je više čestica“, kažu istraživači.

Dok veličina talasne funkcije eksponencijalno raste, ne može se direktno smestiti u kompjuter. Rad sa tako velikim talasnim funkcijama predstavlja uobičajen problem u kvantnoj fizici, ali je neophodan za zadatke kao što je predviđanje svojstava kvantnih materijala, poput superprovodnika.

Napredak je ostvaren putem razvoja i implementacije novih alata na bazi tenzornih mreža, svojvrsnom kompresijom za talasnu funkciju, kad su sve te informacije sažete u matematičku strukturu podataka punu malih tablica brojeva koji su međusobno povezani, kažu istraživači.

Tenzorne mreže su učinile problem izvodljivim za klasične računare. Mnoge inicijalne kalkulacije su izvedene na laptopu pomoću koda iz visokoefikasne softverske biblioteke ITensor, razvijene u Centru za računarsku kvantnu fiziku.

Simulacije prikazuju kako istraživači otkrivaju nove načine za preoblikovanje tenzornih metoda za nove primene. Te simulacije obuhvataju tridimenzionalnu dinamiku koristeći trodimenzionalnu tenzornu mrežu.

„Ovo je veoma moćna kompresija koja može biti veoma efikasna, ali je to prilično složen matematički objekat. Ovo je granična oblast jer rad sa ovim objektima—naročito u tri dimenzije—još nije istražen. Potrebni su vam sofisticirani kodovi i algoritmi da biste se sa njima izborili; to je po sebi izazov softverskog inženjeringa“, kažu istraživači.

Oživljavanje starijih algoritama za novu fiziku

Mnoge simulacije su izvedene pomoću relativno skromnih računarskih resursa. Inicijalne kalkulacije su izvedene pomoću starijeg tipa algoritma iz 1980-ih — poznatog kao „propagacija poverenja“ — koji je nedavno prilagođen kvantnim sistemima.

Uprkos tome što su koristili samo skroman računarski hardver, istraživači su pokazali da su njihove simulacije postigle vrhunske tačnosti. Simulacije su konvergirale oko rešenja koja su se poklapala sa teorijskim predviđanjima i davale tačne rezultate kad su primenjene na manje kontrolne probleme. Rezultati su se takođe slagali sa onima koje su objavili istraživači kvantnog računarstva — ali bez potrebe za kvantnim kompjuterom.

Iako istraživači u klasičnom i kvantnom računarstvu možda izgledaju suprotstavljeno u pogledu ograničenja svojih polja, postoje zajedničko znanje i inspiracija kod ta dva pristupa.

„Dobra strana suprotstavljanja klasičnog i kvantnog računarstva je to što postoji mnogo sinergije između vrste simulacija koje nas zanimaju i kodova koje pišemo i šta se može realizovati na kvantnim računarima“, kažu istraživači. „To može pomoći u usmeravanju našeg rada, a i rada istraživača kvantnog računarstva, jer je, očigledno, za nas barijera da simuliramo određene stvari mnogo lakša nego za njih, pošto ne moramo da napravimo kvantni računar. Možemo samo da napišemo neki kod i da pritisnemo ‘enter’ na ličnom računaru“.

Istraživači idu još dalje razvijajući alate koji prevazilaze sisteme kubita i prelaze na probleme koji uključuju elektrone sposobne da se kreću između lokacija — što je još zahtevnije kao direktno povezano sa simulacijom kvantnih materijala.

„To su zaista, kvantitativno, mnogo teži problemi. Tako da je to jedna od sledećih velikih prepreka koju želimo da savladamo“.

(Telegraf Nauka/Phys.org)