Учёные решили невозможную квантовую задачу с помощью обычного персонального компьютера
Усилия по развитию квантовых вычислений также повышают планку для классических вычислений, демонстрируя, что эти традиционные «рабочие лошадки» ещё не сдались. Специально настроенная классическая компьютерная система только что решила физическую задачу, настолько сложную, что ранее считалось невозможным решить её без квантового компьютера.
Проблема заключается в моделировании так называемых спиновых стёкол — состояния материи, при котором крошечные атомные магниты хаотично расположены. Спиновые стёкла также имеют квантовую природу, существуя в состоянии суперпозиции — размытой комбинации возможных ориентаций. В прошлом году исследователи смоделировали квантовую систему спинового стекла с помощью квантового компьютера D-Wave Advantage2. Тогда утверждалось, что это впечатляющее достижение, которое могла осуществить только квантовая система.
Теперь команда из Института Флэтайрона в США достигла аналогичных результатов, используя классическую компьютерную установку. Ключевым нововведением стали новые алгоритмы сжатия, которые обрабатывают необходимые горы математических данных более эффективным способом. Физик Джозеф Тиндолл отмечает, что это очень мощное сжатие может быть весьма эффективным, но оно представляет собой довольно сложный математический объект. По его словам, это действительно своего рода передовой рубеж, поскольку работа с такими объектами, особенно в трёх измерениях, является малоисследованной областью, требующей сложных кодов и алгоритмов.
Значительная часть этой последней проблемы заключается в том, что спиновые стёкла демонстрируют квантовую запутанность, где неупорядоченные магниты в материале связаны друг с другом всё более сложными способами. По мере увеличения системы объём вычислений, необходимых для её отслеживания, растёт экспоненциально. Решением стали тензорные сети — способ сосредоточиться на наиболее важных связях в системе, исходя из которых можно вычислить всё остальное. Этот подход отсекает избыточную информацию, подобно сжатому zip-файлу на жёстком диске.
Тензорные сети были объединены с более старым алгоритмом, известным как распространение убеждений, который извлекает информацию из симуляции. Как и тензорные сети, распространение убеждений невероятно эффективно — настолько, что некоторые первоначальные расчёты можно было выполнить на обычном ноутбуке. Физик Майлз Стоуденмайр поясняет, что этот метод немного более приближённый, чем некоторые другие, но он значительно дешевле и позволяет гораздо более напрямую решать множество более сложных задач.
Хотя более крупные геометрии спиновых стёкол, смоделированные исследователями, требовали дорогого высокоуровневого чипсета и видеокарты, а не стандартного ноутбука, они всё равно использовали компьютер, который был самым классическим в традиционном смысле. Симуляции, проведённые командой, показали результаты, столь же хорошие или даже лучшие, чем те, что были достигнуты с помощью квантового компьютера, для систем спиновых стёкол с цилиндрическими, алмазными и кубическими решётчатыми структурами.
Это, безусловно, можно рассматривать как успех классических вычислений (с применением некоторого умного дополнительного математического подхода), но это едва ли является поражением для квантовых вычислений. Понимание областей, в которых квантовые компьютеры действительно имеют преимущества перед современным оборудованием (а где не имеют), поможет сфокусировать будущие исследования. Это также показывает, как классические компьютерные системы могут служить проверкой и поддержкой для квантовых компьютеров. Джозеф Тиндолл подчёркивает, что хорошая сторона дебатов о классических и квантовых вычислениях заключается в большом синергизме между моделированием, которое их интересует, кодами, которые они пишут, и тем, что может быть реализовано на квантовых компьютерах, что помогает направлять исследования в обеих областях.
Исследование в журнале Science.