Vil du have mere effektive simulatorer? Gem tid i en kvantesuperposition

Computermodeller af systemer som en bys trafikafvikling eller neural affyring i hjernen har en tendens til at bruge meget hukommelse. Men en ny tilgang med kvantesimulatorer kunne reducere denne hukommelsesbrug betydeligt ved at tage en kvante tilgang til tiden. Den eneste pris er en formindsket rekord af fortiden.

Forslaget kommer fra forskerne Mile Gu og Thomas Elliott i Singapore, der beskriver deres forslag i et papir, der blev offentliggjort 1. marts i npj Quantum Information . Gu arbejder på Center for Quantum Technologies og Nanyang Technological University (NTU) i Singapore, og Elliott er på NTU.

For at udføre en simulering, en klassisk computer skal skære tiden i diskrete trin. Gu tegner analogi med en gammel måde at måle tid på:timeglasset. "Zoom ind på et timeglas, og man kan se de enkelte sandkorn falde en efter en. Det er et granuleret flow, "siger Gu.

Ligesom timeglasset har brug for finere sand for at foretage en mere præcis måling af tid, en computer har brug for finere tid-trin for at lave mere præcise simuleringer. Faktisk, det ideelle ville være at simulere tiden kontinuerligt, fordi, efter vores bedste iagttagelser, tiden ser ud til at være kontinuerlig. Men det indebærer, at en virkelig nøjagtig klassisk simulering ville have brug for uendelig hukommelse for at køre et sådant program.

Selvom det er umuligt med en klassisk computer, kvanteeffekter giver en løsning. "Med en kvantesimulator, du kan undgå den præcision mod opbevaring, som du skal lide med en klassisk enhed, "forklarer Elliott.

For at forklare, hvordan det fungerer, forestil dig, at du skal tage en bus. Hvis du ankommer til stoppestedet lige i tide til at se en bus forlade, du forventer nu, at den næste bus tager længere tid at ankomme, end hvis du ikke lige havde set en forlade. Det er fordi sandsynligheden for at en bus kommer ikke altid er konstant, men afhænger af hvor lang tid der er gået siden sidste bus.

For at simulere lignende processer, hvor sandsynligheden ændrer sig over tid, en almindelig computer beregner udfald med bestemte tidsintervaller. Måske, for eksempel, opdele sandsynlighederne for busens ankomsttider i 30 sekunders intervaller, opdatering af disse sandsynligheder efter hvert interval afhængigt af, om der kom en bus (eller ikke). For at være mere præcis om, hvornår en bus kommer, eller for nøjagtigt at modellere større, mere komplicerede trafiknet, har brug for mindre tidstrin og dermed mere hukommelse.

I denne klassiske tilgang, man laver forudsigelser ved at tælle, hvor lang tid der er gået siden den forrige bus. Det virker logisk, og det viser sig at være den bedste klassiske metode. Kvantefysik, imidlertid, tillader en helt anden tilgang.

En kvantesimulator kan være i mange forskellige tilstande på samme tid, hver med sin egen sandsynlighed for at blive realiseret. Dette er et fænomen kendt som kvantesuperposition. Gu og Elliotts forslag er at kode den tidsmæssige sandsynlighedsfordeling for den hændelse, de vil simulere, ind i sandsynlighedsvægten af ​​de forskellige tilstande. Hvis superpositionen oprettes i en egenskab som f.eks. En partikels position, som selv kan udvikle sig kontinuerligt, tiden kan derefter også spores kontinuerligt. Så det er muligt at kassere nogle oplysninger om den forløbne tid - opnåelse af overlegen hukommelseseffektivitet - uden at ofre forudsigelig nøjagtighed.

Gevinsten kommer på bekostning af at miste viden om fortiden. Den forløbne tid - en oversigt over fortiden, med andre ord - kan ikke genoprettes præcist fra superpositionen, men al prognoseevne bevares ikke desto mindre.

"Ultimativt, når vi laver forudsigelser, er vi ligeglade med det, vi allerede har set. Hellere, vi bekymrer os kun om, hvad disse observationer fortæller os om, hvad vi forventer at se næste gang. Kvantfysik giver os mulighed for effektivt at isolere disse oplysninger. "Siger Elliott.