Развитие квантовых вычислений
По мере развития квантовых вычислений учёные работают над выявлением задач, для которых квантовые компьютеры имеют явное преимущество перед классическими. На данный момент исследователи определили лишь несколько таких задач, но в новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, учёные из Лос-Аламосской национальной лаборатории добавили в этот короткий список ещё одну задачу.
Комментарий ведущего учёного
«Один из центральных вопросов, стоящих перед квантовыми вычислениями, — это определение классов задач, которые они могут решать наиболее эффективно, а классические компьютеры — нет», — говорит Марко Серезо, ведущий учёный команды из Лос-Аламоса. «На данный момент это Святой Грааль квантовых вычислений, потому что таких задач можно пересчитать по пальцам. В этой статье мы только что добавили ещё одну».
Возможности квантовых вычислений
Квантовые вычисления используют уникальные законы квантовой физики, такие как суперпозиция, запутанность и интерференция, которые позволяют обрабатывать информацию за пределами возможностей классических устройств. Когда квантовые вычисления будут полностью реализованы, они обещают продвинуть вперёд криптографию, моделирование квантовых систем и анализ данных, а также многие другие области. Но прежде чем это произойдёт, исследователям всё ещё необходимо разработать фундаментальную науку квантовых вычислений.
Задача, рассмотренная командой из Лос-Аламоса
Конкретная задача, рассмотренная командой из Лос-Аламоса, заключалась в моделировании чрезвычайно сложной оптической схемы с полупрозрачными зеркалами (или светоделителями) и фазовращателями, действующими на экспоненциально большое количество источников света. Команда из Лос-Аламоса выбрала эту задачу, потому что гауссовские бозонные схемы представляют собой физически мотивированную систему, которая эмулирует экспериментальные лабораторные установки.
«Просто для того, чтобы записать полное описание этой системы на классическом компьютере, потребовался бы огромный объём памяти и вычислительных возможностей», — говорит Диего Гарсия-Мартин, соавтор из группы информационных наук лаборатории, который первоначально предложил идею проекта.
«Наша работа также убедительно показывает, что эта задача моделирования не может быть решена классическим компьютером без работы в течение неприемлемо длительного времени. Но с помощью квантового компьютера мы смогли эффективно смоделировать эту задачу», — продолжает Гарсия-Мартин.
Доказательство преимущества квантовых вычислений
Учёные из Лос-Аламоса хотели доказать, что квантовые компьютеры имеют доказуемое преимущество для этого класса задач. «В соответствии с теорией сложности вычислений наша цель — показать, что задачу моделирования больших гауссовских бозонных схем можно сопоставить с другими задачами, которые, как известно, сложны для классических компьютеров, но просты для квантовых», — говорит Гарсия-Мартин.
Таким образом, статья команды показывает, что рассматриваемое моделирование относится к классу задач, которые классически сложны, но квантово просты, известных как полные для квантовых полиномиальных алгоритмов с ограниченной ошибкой, или BQP-полные. Это означает, что любую другую BQP-полную задачу можно сопоставить с большой гауссовской бозонной схемой и наоборот. Этот результат показывает, что квантовые компьютеры могут иметь вычислительное преимущество для решения этих задач с гауссовскими бозонными схемами.
Эволюция работы
Идея возникла после того, как в предыдущей статье было высказано предположение, что квантовые компьютеры могут эффективно моделировать экспоненциально большую сеть масс, соединённых пружинами. Команда из Лос-Аламоса задалась вопросом, можно ли сделать что-то подобное для квантовой, а не классической системы.
Команда была заинтересована в таком проекте, но им нужен был кто-то, кто специализировался бы на оптических схемах. Ключом к решению этой сложной задачи, как оказалось, стала помощь студентки летней школы квантовых вычислений Алисы Барт, которая работает в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария.
Школа лаборатории — это высококонкурентная программа, которая объединяет аспирантов и студентов бакалавриата с наставниками из Лос-Аламоса для работы над исследовательским проектом в течение 10 недель. Наряду со специализацией Барт по квантовым алгоритмам и теории сложности, она также принесла бесценные знания об оптических схемах.
«Навыки, которые Алиса привнесла в нашу команду, были основополагающими для успеха этой статьи, — говорит Серезо, — и это действительно показывает качество студентов, которых принимают на нашу программу стажировок».
Предоставлено Лос-Аламосской национальной лабораторией.