Computer med lysspin

Et lasersystem, der genererer spindende lyspartikler, kan føre til den stærke form for beregningskraft, der er nødvendig for at løse komplekse biologiske problemer. Systemet, hvilket forbedrer i forhold til tidligere, er beskrevet i journalen Quantum Science and Technology .

Nogle problemer er for store og komplekse til, at selv moderne computere kan løse dem. Problemet med den rejsende sælger er et typisk eksempel. Dette problem spørger:Givet en liste over byer og afstande mellem hvert par, hvad er den kortest mulige rute, der besøger hver by og vender tilbage til oprindelsesbyen? Efterhånden som antallet af byer at besøge stiger, det mulige antal ruter at vælge imellem bliver eksponentielt højere, tager mere og mere tid at løse. En moderne computer ville tage en milliard år at løse et problem med 60 byer.

For at prøve at løse komplekse problemer hurtigere, fysikere vender sig til spin-systemer, som er forenklede modeller, der beskriver vekselvirkningerne mellem partikler i et materiale. I "XY-modellen" af et spin-system, partikler danner hvirvellignende mønstre omkring flere fokuspunkter. Forestil dig flere afløb i et stort badekar, med ensrettede vandstrømme, der går ned i hvert afløb. Komplekse problemer, der involverer retningsbestemte data, kan simuleres ved at skabe et fysisk system, der emulerer denne XY-model.

Den slags system kunne bruges, for eksempel, at forudsige vinklerne mellem bindinger i et protein, bestemme, hvordan den foldes, til lægemiddelopdagelse og -syntese. Det kan reducere den tid, der er nødvendig for at udføre kompleks probabilistisk databehandling.

Fysiker Yutaka Takeda fra Tokyo University of Science og kolleger i Japan forbedrede en eksperimentel opsætning, der emulerer XY-modellen. Deres design har et lasersystem, der genererer pulser af lyspartikler i et en kilometer langt optisk fiberhulrum. Impulserne genereres ved hjælp af et "ikke-degenereret optisk parametrisk oscillatornetværk, "som i sidste ende genererer 5, 000 spins, dvs. strømme af lette partikler, der går ned 5, 000 forskellige afløb, inde i hulrummet. Det muliggør lange simuleringer over flere minutter i et stabilt system. Dette forbedrer i forhold til tidligere oscillatorer, der kun producerede 100 spins og simuleringstider, der var begrænset til adskillige titusvis af millisekunder.

Holdet demonstrerede, at de roterende lyspartikler i det optiske fiberhulrum nøjagtigt svarer til en XY-model.

"Vi håber, at vores arbejde vil motivere forskning i beregninger med fysiske systemer og i algoritmer, der involverer kontinuerlige og retningsbestemte data, " konkluderer forskerne.