Kvantová nadvláda? Překvapivá síla klasických počítačů

2. 11. 2024 (mai) - Jak se rivalita mezi kvantovým a klasickým počítáním zintenzivňuje, vědci činí nečekané objevy o kvantových systémech.

Klasické počítače předčily kvantový počítač v simulacích dvourozměrného systému kvantových magnetů a ukázaly neočekávané jevy zadržování. Tento objev výzkumníků z Flatiron Institute redefinuje praktické limity kvantového počítání a zlepšuje pochopení kvantově-klasických výpočetních hranic.

Klasický počítač vítězí nad kvantovou výhodou

Začátkem tohoto roku výzkumníci z Centra výpočetní kvantové fyziky (CCQ) Flatiron Institute oznámili, že úspěšně použili klasický počítač a sofistikované matematické modely, aby důkladně překonali kvantový počítač v úkolu, o kterém si někteří mysleli, že ho mohou vyřešit pouze kvantové počítače.

Nyní tito výzkumníci zjistili, proč byli schopni porazit kvantový počítač v jeho vlastní hře. Jejich odpověď, prezentovaná 29. října v Physical Review Letters , odhaluje, že kvantový problém, který řešili – zahrnující konkrétní dvourozměrný kvantový systém překlápěcích magnetů – vykazuje chování známé jako omezení. Toto chování bylo dříve pozorováno v kvantové fyzice kondenzovaných látek pouze v jednorozměrných systémech.

Toto neočekávané zjištění pomáhá vědcům lépe porozumět linii rozdělující schopnosti kvantových a klasických počítačů a poskytuje rámec pro testování nových kvantových simulací, říká hlavní autor Joseph Tindall, výzkumný pracovník CCQ.

"Existuje určitá hranice, která odděluje, co lze dělat pomocí kvantových počítačů a co lze dělat s klasickými počítači," říká. "V tuto chvíli je ta hranice neuvěřitelně rozmazaná. Myslím, že naše práce pomáhá tuto hranici trochu více objasnit."

Využitím principů z kvantové mechaniky slibují kvantové počítače obrovské výhody ve výpočetním výkonu a rychlosti oproti klasickým počítačům. Zatímco klasické výpočty jsou omezeny binárními operacemi jedniček a nul, kvantové počítače mohou využívat qubity, které mohou představovat 0 i 1 současně, ke zpracování informací zásadně odlišným způsobem.

Kvantová technologie je však stále v plenkách a ještě musí přesvědčivě prokázat svou převahu nad klasickými počítači. Zatímco vědci pracují na tom, aby zjistili, kde mohou mít kvantové počítače výhodu, přicházejí se složitými problémy, které testují limity klasických a kvantových počítačů.

Výsledky jednoho nedávného testu kvantových počítačů vyšly v červnu 2023, kdy výzkumníci IBM publikovali článek v časopise Nature . Jejich práce podrobně popisuje experiment simulující systém s řadou malých překlápěcích magnetů, které se vyvíjejí v průběhu času. Vědci tvrdili, že tato simulace byla proveditelná pouze s kvantovým počítačem, nikoli s klasickým. Poté, co se Tindall dozvěděl o novém papíru prostřednictvím tisku, rozhodl se výzvu přijmout.

Tindall v posledních několika letech spolupracuje s kolegy na vývoji lepších algoritmů a kódů pro řešení složitých kvantových problémů s klasickými počítači. Použil tyto metody na simulaci IBM a za pouhé dva týdny dokázal, že problém dokáže vyřešit s velmi malým výpočetním výkonem – dokonce by to šlo udělat na chytrém telefonu.

"Ve skutečnosti jsme nezavedli žádné špičkové techniky," říká Tindall. "Spojili jsme spoustu nápadů stručným a elegantním způsobem, díky kterému byl problém řešitelný. Byla to metoda, kterou IBM přehlédla a nebylo snadné ji implementovat bez dobře napsaného softwaru a kódů.

Tindall a jeho kolegové publikovali svá zjištění v časopise PRX Quantum v lednu 2024, ale Tindall se tam nezastavil. Inspirován jednoduchostí výsledků se on a jeho spoluautor Dries Sels z Flatiron Institute a New York University rozhodli zjistit, proč lze tento systém tak snadno vyřešit pomocí klasického počítače, když se navenek zdálo, že velmi složitý problém.

"Začali jsme o této otázce přemýšlet a všimli jsme si řady podobností v chování systému s něčím, co lidé viděli v jedné dimenzi zvané uvěznění," říká Tindall.

Uzavření je jev, který může vzniknout za zvláštních okolností v uzavřených kvantových systémech a je analogický kvarkovému omezení známému ve fyzice částic. Abychom porozuměli omezení, začněme s některými kvantovými základy. Na kvantových měřítcích může být jednotlivý magnet orientován nahoru nebo dolů, nebo může být v "superpozici" – kvantovém stavu, ve kterém ukazuje současně nahoru i dolů. To, jak je magnet nahoře nebo dole, ovlivňuje, kolik energie má, když je v magnetickém poli.

Při počátečním nastavení systému všechny magnety směřovaly stejným směrem. Systém byl poté narušen malým magnetickým polem, což způsobilo, že se některé magnety chtěly převrátit, což také povzbudilo sousední magnety k převrácení. Toto chování — kdy magnety vzájemně ovlivňují překlápění — může vést k zapletení, propojení superpozic magnetů. Postupem času je pro klasický počítač kvůli stále většímu zapletení systému obtížné simulovat.

V uzavřeném systému je však jen tolik energie, kterou lze obejít. Ve svém uzavřeném systému Tindall a Sels ukázali, že existuje pouze dostatek energie k převrácení malých, řídce oddělených shluků orientací, což přímo omezuje růst zapletení. Toto energetické omezení zapletení je známé jako omezení a došlo k němu jako zcela přirozený důsledek dvourozměrné geometrie systému.

"V tomto systému se magnety jen tak náhle nevyškrábou nahoru; budou ve skutečnosti jen oscilovat kolem svého původního stavu, a to i ve velmi dlouhých časových intervalech," říká Tindall. "Je to docela zajímavé z hlediska fyziky, protože to znamená, že systém zůstává ve stavu, který má velmi specifickou strukturu a není jen zcela neuspořádaný."

Nešťastnou náhodou IBM ve svém počátečním testu nastavila problém, kdy organizace magnetů v uzavřeném dvourozměrném poli vedla k uvěznění. Tindall a Sels si uvědomili, že protože omezení systému snížilo množství zapletení, udrželo problém dostatečně jednoduchý na to, aby byl popsán klasickými metodami. Pomocí simulací a matematických výpočtů přišli Tindall a Sels s jednoduchým, přesným matematickým modelem, který toto chování popisuje.

"Jednou z velkých otevřených otázek v kvantové fyzice je pochopení, kdy zapletení rychle roste a kdy ne," říká Tindall. "Tento experiment nám dává dobré pochopení příkladu, kdy se kvůli použitému modelu a dvourozměrné struktuře kvantového procesoru nezapleteme ve velkém měřítku."

Výsledky naznačují, že samotné omezení by se mohlo projevit v řadě dvourozměrných kvantových systémů. Pokud ano, matematický model vyvinutý Tindallem a Selsem nabízí neocenitelný nástroj pro pochopení fyziky, která se v těchto systémech odehrává. Kromě toho mohou kódy použité v článku poskytnout experimentálním vědcům nástroj pro srovnávání, který mohou použít při vývoji nových počítačových simulací pro jiné kvantové problémy.

Odkaz: "Uzavření v modelu Ising v příčném poli na těžké hexadecimální mřížce" od Josepha Tindalla a Driese Selse, 29. října 2024, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.180402

- mai