Jest nowy, hybrydowy algorytm kwantowo-komputerowy. Co to oznacza?
Naukowcy z japońskiego Instytutu Badań Fizycznych i Chemicznych RIKEN ogłosili stworzenie hybrydowego algorytmu kwantowo-komputerowego, który może skutecznie obliczać interakcje w złożonych materiałach na poziomie atomowym. Ta innowacja może umożliwić wykorzystanie komputerów kwantowych, a nawet konwencjonalnych do szeroko zakrojonych badań fizycznych. W szczególności dwie dziedziny jakimi są fizyka materii skondensowanej i chemia kwantowa, mogą skorzystać na nowym algorytmie najwięcej.
Komputery kwantowe niosą ze sobą obietnicę zwiększonej mocy obliczeniowej i możliwości rozwiązywania problemów, które znajdują się poza zasięgiem konwencjonalnych komputerów. Jest tak dzięki właściwościom kubitów. To elementy składowe komputerów kwantowych, które w skrócie, są maleńkimi systemami, na przykład nanokryształami lub obwodami nadprzewodzącymi, które funkcjonują według praw fizyki kwantowej.
Czym różnią się komputery kwantowe od konwencjonalnych?
W przeciwieństwie do bitów używanych w tradycyjnych komputerach, które mogą mieć wartość jeden bądź zero, kubity mogą mieć wiele wartości jednocześnie. To właśnie ta właściwość kubitów daje komputerom kwantowym ogromną przewagę pod względem szybkości.
Jednak niekonwencjonalny i superszybki sposób prowadzenia obliczeń przez komputery kwantowe niesie ze sobą wyzwania. Funkcjonowanie tych maszyn wymaga wypracowania przez naukowców nowego spojrzenia na to, jak efektywnie przetwarzać dane w celu rozwiązywania problemów, które są zbyt złożone dla konwencjonalnych komputerów. Ciekawym przykładem jest tzw. operator ewolucji czasowej. Jak wyjaśnia Kaoru Mizuta z instytutu RIKEN:
Operatory ewolucji czasowej (OEC) to ogromne siatki liczb, które opisują złożone zachowania materiałów kwantowych. Mają one ogromne znaczenie, ponieważ dają komputerom kwantowym bardzo praktyczne zastosowanie - lepsze zrozumienie chemii kwantowej i fizyki ciał stałych.
Prototypowe komputery kwantowe zademonstrowane do tej pory osiągnęły OEC przy użyciu stosunkowo prostych technik. Wydają się one jednak nieadekwatne dla przyszłych komputerów kwantowych, ponieważ wymagają one ogromnej liczby tzw. bramek kwantowych, a w związku z tym potrzebują dużo czasu obliczeniowego. Dlatego właśnie naukowcy od dawna usiłowali stworzyć takie algorytmy kwantowe, które bez spadku w dokładności symulacji kwantowych potrzebowałyby mniej bramek kwantowych.
Połączenie metod kwantowych i klasycznych
Teraz Kaoru Mizuta i jego zespół, w skład którego wchodzili badacze z całej Japonii, zaproponował znacznie bardziej wydajny i praktyczny algorytm. Wykorzystuje on zarówno metody kwantowe jak i klasyczne. Jest zdolny do tworzenia OEC przy mniejszej liczbie obliczeń, umożliwiając ich tworzenie na małych komputerach kwantowych, a nawet konwencjonalnych.
Jak mówi Mizuta:
Stworzyliśmy nowy protokół do konstruowania obwodów kwantowych, które wydajnie i dokładnie odtwarzają operatory ewolucji czasowej na komputerach kwantowych. wyjaśnia Mizuta. Łącząc małe algorytmy kwantowe z podstawowymi prawami dynamiki kwantowej, nasz protokół z powodzeniem projektuje obwody do replikacji materiałów kwantowych na dużą skalę, ale z prostszymi komputerami kwantowymi. Przewidujemy, że ta praca zademonstruje potencjał wykorzystania mniejszych komputerów kwantowych do badania fizyki i chemii.
Teraz, Mizuta i jego zespół zamierzają wyjaśnić, w jaki sposób OEC zoptymalizowane za pomocą ich metody mogą znaleźć zastosowanie do różnych algorytmów kwantowych, które mogą obliczać właściwości materiałów kwantowych.
