Развитие квантовых вычислений
С развитием квантовых вычислений учёные работают над выявлением задач, для которых квантовые компьютеры имеют явное преимущество перед классическими. Пока исследователи определили лишь несколько таких задач, но в новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, учёные из Национальной лаборатории Лос-Аламоса 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 группы из Лос-Аламоса. «На данный момент это Святой Грааль квантовых вычислений, потому что можно пересчитать по пальцам такие задачи. 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 группой из Лос-Аламоса
Конкретная задача, рассмотренная группой из Лос-Аламоса, заключалась в моделировании чрезвычайно сложной оптической схемы с полупрозрачными зеркалами (или расщепителями лучей) и фазовращателями, действующими на экспоненциально большое количество источников света. Группа из Лос-Аламоса выбрала эту задачу, потому что такие гауссовы бозонные схемы представляют собой физически мотивированную систему, которая имитирует экспериментальные лабораторные установки.
«Простое написание полного описания этой системы на классическом компьютере потребовало бы огромного объёма памяти и вычислительных мощностей», — 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 долгого времени. Но с помощью квантового компьютера мы смогли эффективно смоделировать эту задачу», — говорит 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 гауссовых бозонных схем можно сопоставить с другими задачами, которые, как известно, сложны для классических компьютеров, но просты для квантовых», — говорит Гарсия-Мартин.
Таким образом, статья группы показывает, что рассматриваемое моделирование относится к классу задач, которые классически сложны, но квантово просты, известных как полные для квантового полиномиального времени с ограниченной ошибкой, или BQP-complete. Это означает, что любую другую задачу BQP-complete можно сопоставить с большой гауссовой бозонной схемой и наоборот. Этот результат показывает, что квантовые компьютеры могут иметь вычислительное преимущество для решения этих задач с гауссовыми бозонными схемами.
История работы
Идея возникла после того, как в предыдущей статье было высказано предположение, что квантовые компьютеры могут эффективно моделировать экспоненциально большую сеть масс, соединённых пружинами. Группа из Лос-Аламоса задалась вопросом, можно ли сделать что-то подобное для квантовой, а не классической системы.
В команду был заинтересован в таком проекте, но им нужен был кто-то, кто специализировался 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. Помимо специализации 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 Национальной лабораторией Лос-Аламоса