Lidt for meget:Reduktion af bitbredden af ​​Ising-modeller til kvanteudglødning

Givet en liste over byer og afstandene mellem hvert par byer, hvordan bestemmer du den korteste rute, der besøger hver by nøjagtigt én gang og vender tilbage til startstedet? Dette berømte problem kaldes 'det rejsende sælgerproblem' og er et eksempel på et kombinatorisk optimeringsproblem. At løse disse problemer ved hjælp af konventionelle computere kan være meget tidskrævende, og specielle enheder kaldet 'kvanteudglødning' er blevet skabt til dette formål.

Kvanteudglødningsapparater er designet til at finde den laveste energitilstand (eller grundtilstand) af det, der er kendt som en Ising-model. Sådanne modeller er abstrakte repræsentationer af et kvantemekanisk system, der involverer interagerende spins, som også er påvirket af eksterne magnetfelter. I slutningen af ​​90'erne, videnskabsmænd fandt ud af, at kombinatoriske optimeringsproblemer kunne formuleres som Ising-modeller, som igen kunne implementeres fysisk i kvanteudglødninger. For at opnå løsningen på et kombinatorisk optimeringsproblem, man skal blot observere grundtilstanden nået i dens tilhørende kvanteudglødning efter kort tid.

En af de største udfordringer i denne proces er transformationen af ​​den logiske Ising-model til en fysisk implementerbar Ising-model, der er egnet til kvanteudglødning. Sommetider, de numeriske værdier af spin-interaktionerne eller de eksterne magnetfelter kræver et antal bits for at repræsentere dem (bitbredde) for store til et fysisk system. Dette begrænser i høj grad alsidigheden og anvendeligheden af ​​kvanteudglødninger til problemer i den virkelige verden. Heldigvis, i en nylig undersøgelse offentliggjort i IEEE-transaktioner på computere , videnskabsmænd fra Japan har taklet dette problem. Baseret udelukkende på matematisk teori, de udviklede en metode, hvorved en given logisk Ising-model kan transformeres til en ækvivalent model med en ønsket bitbredde, så den passer til en ønsket fysisk implementering.

Deres tilgang består i at tilføje ekstra spins til Ising-modellen for problematiske interaktioner eller magnetiske felter på en sådan måde, at grundtilstanden (løsningen) af den transformerede model er den samme som den oprindelige model, mens den også kræver en lavere bitbredde. Teknikken er forholdsvis enkel og giver med garanti en tilsvarende Ising-model med samme løsning som originalen. "Vores strategi er verdens første til effektivt og teoretisk at løse problemet med bitbreddereduktion i spin-interaktioner og magnetfeltkoefficienter i Ising-modeller, " bemærker professor Nozomu Togawa fra Waseda University, Japan, der ledede undersøgelsen.

Forskerne satte også deres metode på prøve i flere eksperimenter, hvilket yderligere bekræftede dens gyldighed. Prof. Togawa har store forhåbninger, og han slutter med at sige:"Den tilgang, der er udviklet i denne undersøgelse, vil udvide anvendeligheden af ​​kvanteudglødninger og gøre dem meget mere attraktive for folk, der beskæftiger sig med ikke kun fysiske Ising-modeller, men alle slags kombinatoriske optimeringsproblemer. Sådanne problemer er almindelige i kryptografi, logistik, og kunstig intelligens, blandt mange andre områder."