Ученые решили «невозможную» квантовую головоломку с помощью персонального компьютера

Усилия по развитию квантовых вычислений также поднимают планку для классических вычислений, показывая, что эти обычные рабочие лошадки еще не готовы.

Специально настроенная классическая компьютерная система только что решила физическую проблему, настолько сложную, что считалось невозможным без квантового компьютера.

Проблема заключается в моделировании так называемых спиновых стекол, состояния материи, в котором крошечные магниты на атомном уровне расположены хаотично.

Спиновые стекла также являются квантовыми по своей природе и существуют. в состоянии суперпозиции, размытой комбинации возможных совпадений.

В прошлом году исследователи смоделировали систему квантового спинового стекла с помощью квантового компьютера D-Wave Advantage2. В то время это было впечатляющим достижением, которое могло быть совершено только с помощью квантовой системы.

Теперь группа из Института Флэтайрон в США добилась аналогичных результатов на классической компьютерной установке, при этом ключевым нововведением стали новые алгоритмы сжатия, которые обрабатывают необходимые математические вычисления более эффективно.

«Это очень мощное сжатие, которое может быть очень эффективным, но это довольно сложный математический объект», — говорит физик Джозеф Тиндалл.

«Это действительно своего рода рубеж, потому что работа с этими объектами, особенно в трех измерениях, очень неизведана.

«Для работы с ними нужны сложные коды и алгоритмы; это сама по себе задача разработки программного обеспечения».

Тиндалл и его команда из Института Флэтайрон, похоже, хорошо умеют находить умные способы повышения производительности классических компьютеров. В 2024 году они разбили ожидания относительно того, на что, как считалось, были способны классические компьютеры – и теперь, похоже, они сделали это снова.

Существенная часть этой последней проблемы заключается в том, что спиновые стекла демонстрируют квантовую запутанность, когда неупорядоченные магниты в материале «связаны». По мере того, как система становится больше, количество вычислений, необходимых для ее отслеживания, растет в геометрической прогрессии.

Решением стали тензорные сети: способ сосредоточиться на наиболее важных соединениях в системе, из которых можно выяснить все остальное. Этот подход удаляет избыточную информацию, подобно сжатому zip-файлу на жестком диске.

Тензорные сети были объединены со старым алгоритмом, известным как распространение убеждений, который извлекает информацию. Как и тензорные сети, распространение убеждений невероятно эффективно – настолько эффективно, что некоторые первоначальные расчеты можно выполнить на обычном ноутбуке.

«Это немного более приблизительный метод, чем некоторые другие методы, но он намного дешевле, и мы можем использовать его гораздо более непосредственно для решения многих более сложных задач», – говорит физик Майлз Студенмайр.

Хотя более крупные геометрии спинового стекла, смоделированные исследователями, потребовали дорогостоящих высокоуровневый набор микросхем и видеокарту, а не готовый ноутбук, они по-прежнему использовали компьютер, который был во многом классическим в традиционном смысле этого слова.

И моделирование, проведенное командой, показало результаты, не хуже или даже лучше, чем те, которые были достигнуты квантовым компьютером, для систем спинового стекла с цилиндрической, ромбовидной и кубической решетчатой структурой.

Это определенно можно рассматривать как успех классических вычислений – с применением некоторых умных дополнительных математических вычислений – но это вряд ли потеря для квантовых вычислений.

Понимание областей, в которых квантовые компьютеры действительно имеют (и не имеют) преимущества перед нынешним оборудованием, поможет сосредоточить будущие исследования.

Оно также показывает, как классические компьютерные системы могут выступать в качестве средства контроля и поддержки квантовых компьютеров.

Связано: атомные часы могут раскрыть скрытую квантовую природу самого времени

Есть еще много вопросов о квантовых вычислениях и их потенциальных возможностях, и подобные исследования помогут исследователям быстрее находить ответы.

«Хорошая сторона дебатов о классических и квантовых вычислениях заключается в том, что существует большая синергия между типом моделирования, который нас интересует, и кодами, которые мы пишем, и тем, что может быть реализовано на этих квантовых компьютерах», — говорит Тиндалл.

«Это может помочь нам, а также может помочь исследователям квантовых вычислений, потому что, очевидно, барьер для входа для нас, чтобы моделировать определенные вещи, намного проще, чем для них, потому что нам не нужно создавать квантовые компьютеры. компьютер».

Исследование опубликовано в журнале Science.