Ny type supercomputer kunne være baseret på en magisk støvkombination af lys og stof

Et team af forskere fra Storbritannien og Rusland har med succes demonstreret, at en form for 'magisk støv', der kombinerer lys og stof, kan bruges til at løse komplekse problemer og i sidste ende kan overgå evnerne hos selv de mest magtfulde supercomputere.

Forskerne, fra Cambridge, Southampton og Cardiff universiteter i Storbritannien og Skolkovo Institute of Science and Technology i Rusland, har brugt kvantepartikler kendt som polaritoner - som er halvt lys og halvt stof - til at fungere som en type 'fyrtårn', der viser vejen til den enkleste løsning på komplekse problemer. Dette helt nye design kunne danne grundlag for en ny type computer, der kan løse problemer, der i øjeblikket er uløselige, inden for forskellige områder som biologi, økonomi eller rumrejser. Resultaterne er rapporteret i journalen Naturmaterialer .

Vores teknologiske fremskridt – fra modellering af proteinfoldning og adfærd på finansielle markeder til at udtænke nye materialer og sende fuldautomatiske missioner ud i det dybe rum – afhænger af vores evne til at finde den optimale løsning af en matematisk formulering af et problem:det absolutte minimum antal trin, der det kræver at løse det problem.

Søgningen efter en optimal løsning er analog med at lede efter det laveste punkt i et bjergrigt terræn med mange dale, skyttegrave, og dråber. En vandrer kan gå ned ad bakke og tro, at de har nået det laveste punkt i hele landskabet, men der kan være et dybere fald lige bag det næste bjerg. Sådan en søgning kan virke skræmmende i naturligt terræn, men forestil dig dens kompleksitet i højdimensionelt rum. "Det er netop det problem, der skal tages fat på, når den objektive funktion at minimere repræsenterer et problem i virkeligheden med mange ubekendte, parametre, og begrænsninger, "sagde professor Natalia Berloff fra Cambridge's Institut for Anvendt Matematik og Teoretisk Fysik og Skolkovo Institute of Science and Technology, og avisens første forfatter.

Moderne supercomputere kan kun håndtere en lille delmængde af sådanne problemer, når dimensionen af ​​den funktion, der skal minimeres, er lille, eller når den underliggende struktur af problemet giver den mulighed for hurtigt at finde den optimale løsning, selv for en funktion med stor dimension. Selv en hypotetisk kvantecomputer, hvis realiseret, tilbyder i bedste fald kvadratisk hastighed for "brute-force" -søgningen efter det globale minimum.

Berloff og hendes kolleger nærmede sig problemet fra en uventet vinkel:Hvad hvis i stedet for at bevæge sig langs det bjergrige terræn på jagt efter det laveste punkt, man fylder landskabet med et magisk støv, der kun skinner på det dybeste niveau, bliver en let påviselig markør for opløsningen?

"For nogle år siden blev vores rent teoretiske forslag om, hvordan man gør dette, afvist af tre videnskabelige tidsskrifter, "sagde Berloff." En dommer sagde, 'Hvem ville være skør nok til at prøve at implementere dette ?!' Så vi var nødt til at gøre det selv og nu har vi bevist vores forslag med eksperimentelle data. "

Deres "magiske støv"-polaritoner skabes ved at skinne en laser på stablede lag af udvalgte atomer såsom gallium, arsen, indium, og aluminium. Elektronerne i disse lag absorberer og udsender lys af en bestemt farve. Polaritoner er ti tusinde gange lettere end elektroner og kan opnå tilstrækkelige tætheder til at danne en ny tilstand af stof kendt som et Bose-Einstein-kondensat, hvor polaritons kvantefaser synkroniserer og skaber et enkelt makroskopisk kvanteobjekt, der kan detekteres gennem fotoluminescensmålinger.

Det næste spørgsmål, forskerne skulle tage stilling til, var, hvordan man skaber et potentielt landskab, der svarer til den funktion, der skal minimeres, og for at tvinge polaritoner til at kondensere på sit laveste punkt. At gøre dette, gruppen fokuserede på en bestemt type optimeringsproblem, men en type, der er generel nok, så ethvert andet hårdt problem kan relateres til det, nemlig minimering af XY -modellen, som er en af ​​de mest fundamentale modeller for statistisk mekanik. Forfatterne har vist, at de kan oprette polaritoner på hjørner af en vilkårlig graf:som polaritoner kondenserer, polaritons kvantefaser arrangerer sig selv i en konfiguration, der svarer til det absolutte minimum af den objektive funktion.

"Vi er lige i begyndelsen af ​​at udforske potentialet ved polaritongrafer til at løse komplekse problemer, "sagde medforfatter professor Pavlos Lagoudakis, Leder af Hybrid Photonics Lab ved University of Southampton og Skolkovo Institute of Science and Technology, hvor forsøgene blev udført. "Vi skalerer i øjeblikket vores enhed til hundredvis af noder, mens man tester dens grundlæggende regnekraft. Det ultimative mål er en mikrochip kvantesimulator, der fungerer under omgivende forhold."