양자 컴퓨터는 연산 능력의 초강대국이 될 준비가 되어 있지만, 연구자들은 양자 컴퓨터만이 해결할 수 있는 양자 이점을 제공하는 실행 가능한 문제를 오랫동안 모색해 왔습니다. 그래야만 마침내 기술이 필수적인 것으로 간주될 것이라고 그들은 주장합니다.

그들은 수십 년 동안 찾고 있었습니다. "이것이 어려운 이유 중 하나는 기존 컴퓨터가 수행하는 많은 작업에 꽤 능숙하기 때문입니다."라고 말했습니다. 존 프리 스킬, California Institute of Technology의 이론 물리학자.

1994년에 피터 쇼어(Peter Shor)가 발견했습니다. 한 가지 가능성은 큰 숫자를 인수분해하기 위한 양자 알고리즘입니다. Shor의 알고리즘은 강력하며 모든 기존 알고리즘을 능가한다고 널리 알려져 있습니다. 양자 컴퓨터에서 실행하면 큰 숫자를 인수분해하는 어려움에 의존하는 인터넷 보안 시스템의 대부분을 깨뜨릴 가능성이 있습니다. 그러나 인상적이긴 하지만, 이 알고리즘은 연구 분야의 좁은 부분에만 관련되어 있으며, 내일 누군가가 고전적인 기계에서 큰 숫자를 인수분해하는 효율적인 방법을 찾아 Shor의 알고리즘을 논쟁의 여지가 있게 만들 가능성이 있습니다. Shor의 적용 범위가 좁기 때문에 연구 커뮤니티는 실제로 새로운 과학적 발견을 하는 데 도움이 될 수 있는 양자 기계의 다른 사용 사례를 검색하게 되었습니다.

“우리는 단 하나의 작업만을 위한 컴퓨터를 만들고 싶지 않습니다.”라고 말했습니다. 최순원, 매사추세츠 공과 대학의 물리학자. “쇼어의 알고리즘 외에 양자 컴퓨터로 무엇을 할 수 있나요?”

Preskill이 말했듯이 "우리는 고전적으로 어려운 문제를 찾아야 하지만 그런 다음 양자 방법이 실제로 효율적이라는 것을 보여줘야 합니다."

연구자들은 몇 번이나 자신들이 해냈다고 생각했고, 기존 컴퓨터가 할 수 있는 어떤 것보다 더 빠르게 문제를 해결할 수 있는 양자 알고리즘을 발견했습니다. 그런데 누군가 – 종종 젊은 연구자가 탕이윈 — 양자 알고리즘을 능가할 수 있는 영리하고 새로운 클래식 알고리즘을 생각해냈습니다.

이제 Preskill을 포함한 물리학자 팀은 아직 최고의 후보자를 찾았습니다 양자적 이점을 위해. 특정 양자 시스템의 에너지를 연구함으로써 그들은 양자 기계가 대답하기 쉽지만 고전 기계로는 여전히 어려운 구체적이고 유용한 질문을 발견했습니다. "이것은 양자 알고리즘 이론의 주요 진전입니다."라고 말했습니다. 세르게이 브라비, IBM의 이론 물리학자이자 컴퓨터 과학자입니다. "그들의 결과는 화학 및 재료 과학과 관련된 문제에 대한 양자적 이점입니다."

연구원들은 또한 새로운 연구가 물리과학의 예상치 못한 새로운 영역을 탐구한다는 사실에 흥분하고 있습니다. “이 새로운 기능은 Shor의 기능과 질적으로 다르며 잠재적으로 양자 알고리즘 세계에서 많은 새로운 기회를 열어줍니다.”라고 최씨는 말했습니다.

문제는 다양한 에너지 상태에 있는 양자 시스템(일반적으로 원자)의 특성과 관련이 있습니다. 원자가 상태 사이를 이동하면 속성이 변경됩니다. 예를 들어 특정 색상의 빛을 방출하거나 자성이 될 수 있습니다. 다양한 에너지 상태에서 시스템의 특성을 더 잘 예측하려면 과학자들이 바닥 상태라고 부르는 가장 낮은 여기 상태에 있을 때 시스템을 이해하는 것이 도움이 됩니다.

“많은 화학자, 재료과학자, 양자물리학자들이 바닥상태를 찾기 위해 노력하고 있습니다.” 로버트 황, 새로운 논문 저자 중 한 명이자 Google Quantum AI의 연구 과학자입니다. “매우 힘든 것으로 알려져 있습니다.”

너무 어려워서 100년이 넘는 연구 끝에도 연구자들은 여전히 ​​첫 번째 원리로부터 시스템의 기저 상태를 결정하는 효과적인 컴퓨터 접근 방식을 찾지 못했습니다. 양자 컴퓨터가 이를 수행할 방법도 없는 것 같습니다. 과학자들은 시스템의 바닥 상태를 찾는 것이 클래식 컴퓨터와 양자 컴퓨터 모두에서 어렵다는 결론을 내렸습니다.

그러나 일부 물리적 시스템은 더 복잡한 에너지 환경을 보여줍니다. 냉각되면 이러한 복잡한 시스템은 바닥 상태가 아닌 국지적 최소 에너지 수준으로 알려진 근처의 낮은 에너지 수준에 만족하게 됩니다. (2021년 노벨 물리학상의 일부는 다음과 같은 시스템 세트에 대한 연구로 수여되었습니다. 스핀 안경.) 연구자들은 시스템의 국지적 최소 에너지 수준을 결정하는 문제도 보편적으로 어려운지 궁금해하기 시작했습니다.

이에 대한 답은 지난해부터 나타나기 시작했다. 치팡(안소니) 첸최근 논문의 또 다른 저자인 는 새로운 연구 개발에 도움을 주었습니다. 양자 알고리즘 양자 열역학(열, 에너지 및 작업이 양자 시스템에 미치는 영향을 연구함)을 시뮬레이션할 수 있습니다. Huang은 “많은 사람들이 양자 시스템에서 에너지 환경이 어떤 모습인지에 대한 질문을 [연구]했지만 이전에는 이를 분석할 도구가 없었다고 생각합니다.”라고 말했습니다. Chen의 알고리즘은 이러한 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 창을 여는 데 도움이 되었습니다.

새로운 도구가 얼마나 강력한지 확인한 후 Huang과 레오 저우새 논문의 네 번째이자 최종 저자인 는 이를 사용하여 이상적인 바닥 상태를 쫓는 대신 양자 컴퓨터가 시스템의 로컬 최소 에너지 상태를 결정하는 방법을 설계했습니다. 이는 양자 컴퓨팅 연구자들이 제기하는 질문에 초점을 맞춘 접근 방식입니다. 찾고있었습니다. Preskill은 "이제 문제가 생겼습니다. 에너지의 국소적인 양을 찾는 것입니다. 이는 고전적으로는 여전히 어렵지만 양자적으로는 쉽다고 말할 수 있습니다."라고 Preskill은 말했습니다. "그래서 우리는 양자적 이점을 추구하는 분야에 있게 되었습니다."

Preskill이 이끄는 저자들은 시스템의 로컬 최소 에너지 상태를 결정하기 위한 새로운 접근 방식(양자 물리학 분야의 주요 진전)의 힘을 입증했을 뿐만 아니라 이것이 마침내 양자 컴퓨터가 그 가치를 보여줄 수 있는 문제라는 것을 증명했습니다. "지역 최소값을 찾는 문제는 양자 이점이 있습니다"라고 Huang은 말했습니다.

그리고 이전 후보와 달리 이 후보는 새로운 기존 알고리즘에 의해 왕좌에서 물러나지 않을 것입니다. 최씨는 “비양자화될 가능성은 없다”고 말했다. Preskill 팀은 매우 그럴듯한 가정을 내렸으며 논리적인 비약은 거의 하지 않았습니다. 만약 고전적인 알고리즘이 동일한 결과를 얻을 수 있다면, 이는 물리학자들이 다른 많은 것들에 대해 틀렸음이 틀림없다는 것을 의미합니다. 최씨는 “충격적인 결과가 될 것”이라고 말했다. “보고 나면 신나겠지만 믿기 어려울 정도로 충격적일 것입니다.” 새로운 연구는 양자 이점을 입증할 수 있는 다루기 쉽고 유망한 후보를 제시합니다.

분명히 말하면, 새로운 결과는 본질적으로 여전히 이론적입니다. 실제 양자 컴퓨터에서 이 새로운 접근 방식을 시연하는 것은 현재 불가능합니다. 문제의 양자적 이점을 철저하게 테스트할 수 있는 기계를 구축하려면 시간이 걸릴 것입니다. 따라서 Bravyi의 작업은 이제 막 시작되었습니다. “1,000년 전에 무슨 일이 일어났는지 보면 큐비트 양자 컴퓨터가 몇 대밖에 없었는데 지금은 이미 수백, 심지어 10큐비트 컴퓨터가 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “XNUMX년, XNUMX년 후에 무슨 일이 일어날지 예측하는 것은 매우 어렵습니다. 매우 역동적인 분야입니다.”

보정: 2024 년 3 월 12 일
이 기사는 양자 이점이 있는 문제에 대한 검색을 보다 명확하게 설명하기 위해 편집되었습니다.