Группа исследователей из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) при Институте Флэтайрон недавно раскрыла причины своего успеха в решении задачи, ранее считавшейся эксклюзивной для квантовых компьютеров, с помощью классического компьютера. Их результаты, опубликованные в Physical Review Letters, демонстрируют, что конкретная двумерная квантовая система переворачивающихся магнитов проявляет поведение, ранее наблюдаемое только в одномерных системах.
Это неожиданное открытие имеет важное значение для понимания границы между возможностями квантовых и классических компьютеров. Ведущий автор исследования, Джозеф Тиндалл, научный сотрудник CCQ, отмечает: «Существует граница, которая разделяет то, что можно сделать с помощью квантовых вычислений, и то, что можно сделать с помощью классических компьютеров. Наша работа помогает немного прояснить эту границу».
Квантовые компьютеры, использующие принципы квантовой механики, обещают значительные преимущества в вычислительной мощности и скорости по сравнению с классическими компьютерами. Однако квантовая технология всё ещё находится в зачаточном состоянии, и учёные продолжают исследовать, где квантовые компьютеры могут иметь преимущество.
В июне 2023 года исследователи IBM опубликовали статью в журнале Nature, в которой подробно описывался эксперимент с моделированием системы массива крошечных переворачивающихся магнитов, эволюционирующей с течением времени. Они утверждали, что эта симуляция осуществима только с квантовым компьютером. Тиндалл и его коллеги, используя свои алгоритмы для решения сложных квантовых задач с помощью классических компьютеров, решили эту задачу всего за две недели, доказав, что её можно решить даже на смартфоне.
Тиндалл и его соавтор Драйс Селс из Института Флэтайрон и Нью-Йоркского университета затем исследовали, почему эту систему можно так легко решить с помощью классического компьютера. Они обнаружили, что система проявляет ограничение, которое может возникнуть при особых обстоятельствах в замкнутых квантовых системах. Ограничение уменьшает количество запутанности, делая задачу достаточно простой для описания классическими методами.
Тиндалл объясняет: «В этой системе магниты не будут просто внезапно вскакивать. Вместо этого они фактически будут просто колебаться вокруг своего начального состояния, даже в очень длительных временных масштабах. Это довольно интересно с точки зрения физики, потому что это означает, что система остаётся в состоянии, которое имеет очень специфическую структуру, а не просто полностью беспорядочно».
Результаты исследования показывают, что ограничение может проявиться в ряде двумерных квантовых систем. Математическая модель, разработанная Тиндаллом и Селсом, предлагает ценный инструмент для понимания физики, происходящей в этих системах. Кроме того, код, используемый в статье, может предоставить инструмент для сравнительного анализа, который учёные могут использовать при разработке новых компьютерных симуляций для других квантовых проблем.
Это исследование помогает лучше понять границу между возможностями квантовых и классических компьютеров и обеспечивает основу для тестирования новых квантовых симуляций. Как отмечает Тиндалл, «одним из больших открытых вопросов в квантовой физике является понимание того, когда запутанность растет быстро, а когда нет. Этот эксперимент даёт хорошее понимание примера, в котором мы не получили крупномасштабной запутанности из-за используемой модели и двумерной структуры квантового процессора».