Οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει έναν απλό υπολογιστή, προηγμένα μαθηματικά και εξειδικευμένο λογισμικό για να λύσουν ένα δύσκολο πρόβλημα κβαντικής φυσικής που περιγράφηκε ως πέρα από τις δυνατότητες των κλασικών μηχανών.
Η εργασία έγινε από ερευνητές στο Κέντρο Υπολογιστικής Κβαντικής Φυσικής (CCQ) στο Ινστιτούτο Flatiron του Ιδρύματος Simmons, μαζί με συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. Η μέθοδός τους αποδείχθηκε αρκετά αποτελεσματική ώστε ορισμένοι υπολογισμοί να εκτελούνται σε προσωπικούς φορητούς υπολογιστές.
Εξάγοντας περισσότερη υπολογιστική ισχύ από συμβατικό υλικό, η μέθοδος θα μπορούσε να επεκτείνει το φάσμα των προβλημάτων κβαντικής δυναμικής που μπορούν να μελετήσουν οι επιστήμονες. Μπορεί επίσης να προσφέρει μια χρήσιμη τεχνική για προβλήματα βελτιστοποίησης όπου οι ερευνητές πρέπει να εντοπίσουν την καλύτερη απάντηση ανάμεσα σε πολλές πιθανές λύσεις.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό επιστήμη.
Προσομοίωση εκατοντάδων qubits που αλληλεπιδρούν
Η πρόκληση περιελάμβανε τη μοντελοποίηση εκατοντάδων «qubits» που αλληλεπιδρούν, τα οποία είναι κβαντικά αντίστοιχα των bit που χρησιμοποιούνται από τους παραδοσιακούς υπολογιστές. Τα qubit ήταν διατεταγμένα σε τετράγωνα, κυβικά ή ρομβοειδή πλέγματα.
Ένα συμβατικό bit αποθηκεύει είτε ένα 0 είτε ένα 1. Ένα qubit, ωστόσο, μπορεί να υπάρχει σε μια υπέρθεση πολλαπλών καταστάσεων. Αυτή η ιδιότητα δίνει στα κβαντικά συστήματα τις ασυνήθιστες δυνατότητές τους, αλλά καθιστά επίσης εξαιρετικά δύσκολη την αναπαραγωγή της συμπεριφοράς τους σε έναν κλασικό υπολογιστή.
Ένα άρθρο του Μαρτίου 2025, επίσης δημοσιευμένο επιστήμηΜια άλλη ερευνητική ομάδα ανέφερε ότι χρησιμοποίησε έναν κβαντικό υπολογιστή για να υπολογίσει τη δυναμική ενός ιδιαίτερα πολύπλοκου συστήματος qubit. Αυτή η ομάδα υποστήριξε ότι ένας κλασικός υπολογιστής δεν μπορούσε να ταιριάξει με το επίτευγμα.
«Όποτε βλέπουμε έναν ισχυρισμό σαν αυτόν (στο CCQ), είμαστε πάντα λίγο επιφυλακτικοί», είπε ο Τζόζεφ Τίνταλ, συνεργάτης ερευνητής στο CCQ και πρώτος συγγραφέας της νέας εργασίας Science. “Όπως, “Το δοκίμασες; Το δοκίμασες;”
Για τους ερευνητές του CCQ, ο ισχυρισμός προσέφερε έναν συναρπαστικό τρόπο να δοκιμάσουν τα όρια των δικών τους τεχνικών.
Ο συν-συγγραφέας της μελέτης και επιστήμονας της έρευνας CCQ, Miles Studenmire, είπε ότι το πρόβλημα χρησίμευσε ως ευκαιρία να πάρουν τον εξοπλισμό τους «για μια δοκιμαστική οδήγηση». «Θα μπορούσαμε να είχαμε επιλέξει κάποιους πιο αυθαίρετους στόχους», είπε ο Studenmaier. “Αλλά ήταν “Γιατί να μην επιλέξω αυτόν με μεγαλύτερη αξίωση;”
Η πρόκληση της κβαντικής εμπλοκής
Το μεγαλύτερο εμπόδιο ήταν η κβαντική εμπλοκή. Όταν τα qubits μπλέκονται, οι ιδιότητές τους συνδέονται, ακόμη και όταν τα qubits χωρίζονται από μεγάλες αποστάσεις. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές δεν μπορούν να μοντελοποιήσουν κάθε qubit ανεξάρτητα.
Αντίθετα, απαιτούνται εξελιγμένοι αλγόριθμοι για την περιγραφή ολόκληρου του συστήματος.
«Όταν έχετε πολλά σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω της κβαντικής φυσικής, έχετε αυτή την κυματική συνάρτηση που περιγράφει την κατάσταση του συστήματος», είπε ο Tyndall. «Είναι αυτό το τεράστιο αντικείμενο που γίνεται όλο και μεγαλύτερο όσο περισσότερα σωματίδια έχει».
Η κυματική συνάρτηση περιέχει τις πληροφορίες που απαιτούνται για την περιγραφή ενός κβαντικού συστήματος, αλλά το μέγεθός του αυξάνεται εκθετικά καθώς προστίθενται περισσότερα σωματίδια.
Καθώς το μέγεθος της συνάρτησης κυμάτων μεγαλώνει εκθετικά, «δεν μπορώ να την αποθηκεύσω απευθείας στον υπολογιστή μου», λέει. Η ενασχόληση με τέτοιες ογκώδεις κυματικές συναρτήσεις είναι ένα επαναλαμβανόμενο πρόβλημα στην κβαντική φυσική. Ωστόσο, αυτοί οι υπολογισμοί είναι σημαντικοί για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των κβαντικών υλικών, συμπεριλαμβανομένων των υπεραγωγών.
Κατάρρευση ενός τεράστιου κβαντικού συστήματος
Οι ερευνητές έχουν ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο αναπτύσσοντας και εφαρμόζοντας νέα εργαλεία που βασίζονται σε δίκτυα τανυστών. Αυτές οι μαθηματικές δομές συμπιέζουν τις πληροφορίες που περιέχονται σε μια συνάρτηση κύματος έτσι ώστε να μπορεί να αντιμετωπιστεί πιο αποτελεσματικά.
Ο Tindall το συγκρίνει με “ένα αρχείο ZIP για συναρτήσεις κυμάτων όπου παίρνετε όλες αυτές τις πληροφορίες και τις συμπιέζετε σε αυτήν τη δομή μαθηματικών δεδομένων γεμάτη από αυτούς τους μικρούς πίνακες αριθμών που συνδέονται μεταξύ τους”.
Αυτή η συμπίεση έκανε τις προσομοιώσεις διαχειρίσιμες σε κλασικούς υπολογιστές. Ο Tyndall πραγματοποίησε πολλούς από τους πρώτους υπολογισμούς σε φορητό υπολογιστή χρησιμοποιώντας το ITensor, μια βιβλιοθήκη λογισμικού δικτύου τανυστών υψηλής απόδοσης που αναπτύχθηκε στο CCQ.
Οι νέες προσομοιώσεις δείχνουν επίσης πώς η ομάδα iTensor προσαρμόζει τις τεχνικές Tensor για νέους τύπους προβλημάτων. Σε αυτή την περίπτωση, οι ερευνητές μοντελοποίησαν την τρισδιάστατη κβαντική δυναμική με ένα τρισδιάστατο δίκτυο τανυστών.
«Είναι πολύ ισχυρή συμπίεση που μπορεί να είναι πολύ αποτελεσματική, αλλά είναι ένα αρκετά περίπλοκο μαθηματικό αντικείμενο», είπε ο Tyndall. “Είναι πράγματι λίγο απαράδεκτο, γιατί η εργασία με αυτά τα αντικείμενα – ειδικά σε τρεις διαστάσεις – είναι τόσο αντισυμβατική. Χρειάζεσαι εξελιγμένο κώδικα και αλγόριθμους για να τα αντιμετωπίσεις· αυτό είναι από μόνο του μια πρόκληση μηχανικής λογισμικού.”
Ένας παλιός αλγόριθμος βρίσκει μια νέα χρήση
Πολλές προσομοιώσεις απαιτούν μόνο σχετικά μέτριους υπολογιστικούς πόρους. Για τους αρχικούς υπολογισμούς, ο Tyndall χρησιμοποίησε τη διάδοση των πεποιθήσεων, έναν αλγόριθμο που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1980 που οι ερευνητές προσάρμοσαν πρόσφατα για κβαντικά συστήματα.
«Είναι λίγο πιο προσεγγιστικό από κάποιες άλλες μεθόδους, αλλά είναι πολύ φθηνότερο και μπορούμε να το εκτελέσουμε απευθείας σε πολύ πιο δύσκολα προβλήματα», είπε ο Studenmaier.
Αντιπαραθέτει «τις πιο εξελιγμένες μεθόδους στο παρελθόν στον τομέα μας» που «δεν θα μπορούσαν καν να αρχίσουν να αντιμετωπίζουν ορισμένα από αυτά τα τρισδιάστατα προβλήματα, επειδή είναι τόσο μεγάλα».
Αν και το υλικό ήταν μέτριο, τα αποτελέσματα έφτασαν σε επίπεδα ακρίβειας τελευταίας τεχνολογίας. Οι προσομοιώσεις παρήγαγαν λύσεις που ήταν συνεπείς με τις θεωρητικές προβλέψεις και είχαν καλή απόδοση σε μικρά προβλήματα όπου μπορούσαν να ελεγχθούν οι σωστές απαντήσεις.
Το πιο σημαντικό είναι ότι τα αποτελέσματα συμφωνούν με αυτά που ελήφθησαν προηγουμένως χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό υπολογιστή. Η διαφορά είναι ότι οι νέοι υπολογισμοί δεν απαιτούσαν κβαντικό υλικό.
Ο κλασικός και ο κβαντικός υπολογισμός μπορούν να λειτουργήσουν μαζί
Τα αποτελέσματα προσθέτουν στη συζήτηση σχετικά με το πού τελειώνουν οι κλασικοί υπολογιστές και πού ξεκινούν οι κβαντικές εγκαταστάσεις. Ωστόσο, οι Tyndall και Studenmire τονίζουν ότι τα δύο πεδία δεν ανταγωνίζονται απλώς το ένα το άλλο.
Οι κλασικές προσομοιώσεις μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να κατανοήσουν τι είναι ικανοί οι κβαντικοί υπολογιστές, ενώ η πρόοδος στο κβαντικό υλικό μπορεί να εμπνεύσει νέες κλασικές μεθόδους.
«Το καλό με τη συζήτηση κλασικού και κβαντικού υπολογισμού είναι ότι υπάρχει πολλή συνέργεια μεταξύ των ειδών προσομοιώσεων που μας ενδιαφέρουν και των κωδίκων που γράφουμε και του τι μπορεί να πραγματοποιηθεί σε αυτούς τους κβαντικούς υπολογιστές», είπε ο Tyndall. “Μπορεί να μας καθοδηγήσει και μπορεί επίσης να βοηθήσει στην καθοδήγηση των ερευνητών κβαντικών υπολογιστών, γιατί προφανώς, το εμπόδιο στην είσοδο για εμάς για να προσομοιώσουμε ορισμένα πράγματα είναι πολύ πιο εύκολο γι ‘αυτούς, επειδή δεν χρειάζεται να φτιάξουμε έναν κβαντικό υπολογιστή. Μπορώ απλώς να γράψω λίγο κώδικα και να πατήσω “run” στον προσωπικό μου υπολογιστή.”
Η επόμενη πρόκληση κβαντικής προσομοίωσης
Οι ερευνητές τώρα αναπτύσσουν μεθόδους που υπερβαίνουν τα συστήματα που αποτελούνται μόνο από qubits. Ο επόμενος στόχος τους είναι να μοντελοποιήσουν ηλεκτρόνια που μπορούν να μεταφέρουν μεταξύ διαφορετικών θέσεων.
Αυτά τα συστήματα είναι πολύ πιο δύσκολο να προσομοιωθούν, αλλά σχετίζονται άμεσα με την κατανόηση των πραγματικών κβαντικών υλικών.
«Είναι πραγματικά, ποσοτικά, πολύ πιο δύσκολα προβλήματα», είπε ο Studenmyer. «Λοιπόν, αυτό είναι ένα από τα επόμενα μεγάλα μπαρ μας που θέλουμε να καθαρίσουμε».