Spring simuleringer fremad med kvanteberegning

Selvom "koblede svingninger" måske ikke lyder bekendt, er de overalt i naturen. Udtrykket "koblede harmoniske oscillatorer" beskriver interagerende systemer af masser og fjedre, men deres nytte i videnskab og teknik stopper ikke der. De beskriver mekaniske systemer som broer, bindingerne mellem atomer og endda gravitationelle tidevandseffekter mellem Jorden og månen. At forstå sådanne problemer giver os mulighed for at undersøge et tilsvarende stort udvalg af systemer fra kemi til teknik til materialevidenskab og videre.

Klassisk repræsenteret af en kugle- og fjedermodel, bliver koblede oscillatoriske systemer stadig mere komplekse, efterhånden som flere oscillatorer tilføjes. Med en ny kvantealgoritme skabt delvist af Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) fællesudnævnt og University of Toronto professor Nathan Wiebe, er simulering af sådanne komplekse koblede oscillatorsystemer nu hurtigere og mere effektiv. Disse resultater blev offentliggjort i Physical Review X .

I samarbejde med forskere fra Google Quantum AI og Macquarie University i Sydney, Australien, udviklede Wiebe en algoritme til simulering af systemer af koblede masser og fjedre på kvantecomputere. Forskerne fremlagde derefter bevis for den nye algoritmes eksponentielle fordel i forhold til klassiske algoritmer.

Denne fremskyndelse blev muliggjort ved at kortlægge dynamikken af ​​de koblede oscillatorer til en Schrödinger-ligning - kvantemodstykket til en klassisk Newtonsk ligning. Derfra kunne systemet simuleres ved hjælp af Hamiltonske metoder.

I bund og grund giver denne tilgang videnskabsmænd mulighed for at udtrykke dynamikken i koblede oscillatorer ved hjælp af langt færre kvantebits end traditionelle metoder. Forskere kan derefter simulere systemet ved at bruge eksponentielt færre operationer.

Det måske mest spændende aspekt af deres arbejde opstår fra spørgsmålet om, hvorvidt denne algoritme faktisk tilbyder en eksponentiel fremskyndelse i forhold til alle mulige almindelige algoritmer. For det første viste forfatterne, at denne algoritme virker begge veje:at koblede harmoniske oscillatorer kan bruges til at simulere en vilkårlig kvantecomputer.

Det betyder, at meget store systemer af interagerende masser og fjedre på et højt niveau kan indeholde beregningskraft, der svarer til en kvantecomputer.

For det andet overvejede forfatterne de teoretiske begrænsninger omkring beregning af disse dynamikker. Hvis der fandtes en måde at simulere denne dynamik i polynomisk tid på eksisterende computere, så kunne forskere konstruere en hurtigere metode til at simulere kvantecomputere. Dette ville dog bevise, at kvantecomputere stort set ikke er mere kraftfulde end klassiske computere.

Beviser samlet gennem årene viser, at det er usædvanligt usandsynligt, at klassiske computere er kvalitativt lige så kraftfulde som kvantecomputere. Dette arbejde giver således et overbevisende argument for, at denne algoritme giver en eksponentiel fremskyndelse såvel som en klar demonstration af en ny og subtil forbindelse mellem kvantedynamik og den ydmyge harmoniske oscillator.

"Meget få nye klasser af beviselige eksponentielle hastigheder af klassiske beregninger er blevet udviklet," sagde Wiebe. "Vores arbejde giver en betydelig beregningsfordel til en bred vifte af problemer inden for teknik, neurovidenskab og kemi."

Flere oplysninger: Ryan Babbush et al., Eksponentiel kvantehastighed i simulering af koblede klassiske oscillatorer, Physical Review X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041041

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af Pacific Northwest National Laboratory