Kuantum bilgisayarlar, hesaplama açısından süper güç olmaya hazırlanıyor, ancak araştırmacılar uzun süredir kuantum avantajı sağlayan geçerli bir problemin peşindeydi; bu, yalnızca bir kuantum bilgisayarın çözebileceği bir şey. Ancak o zaman teknolojinin nihayet gerekli görüleceğini savunuyorlar.

Onlarca yıldır arıyorlar. "Zorlayıcı olmasının bir nedeni de klasik bilgisayarların yaptıkları birçok işte oldukça iyi olmalarıdır" dedi John PreskillCalifornia Institute of Technology'de teorik fizikçi.

1994 olarak, Peter Shor keşfetti bir olasılık: büyük sayıları çarpanlara ayırmak için bir kuantum algoritması. Shor'un algoritması güçlüdür ve yaygın olarak tüm klasik algoritmaları yendiğine inanılmaktadır; Bir kuantum bilgisayarda çalıştırıldığında, büyük sayıları çarpanlara ayırmanın zorluğuna dayanan internetin güvenlik sistemlerinin çoğunu kırma potansiyeline sahip. Ancak ne kadar etkileyici olsa da, algoritma yalnızca araştırma alanlarının dar bir kesimiyle ilgilidir ve yarın birisinin klasik bir makinede büyük sayıları çarpanlara ayırmanın etkili bir yolunu bulması ve Shor'un algoritmasını tartışmalı hale getirmesi mümkündür. Shor'un dar uygulanabilirliği, araştırma topluluğunu, yeni bilimsel keşiflerin yapılmasına yardımcı olabilecek kuantum makineleri için başka kullanım durumları aramaya yöneltti.

"Sadece tek bir görev için bilgisayar oluşturmak istemiyoruz" dedi Yakında Kazanılan ChoiMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde fizikçi. “Kuantum bilgisayarla Shor'un algoritmasından başka ne yapabiliriz?”

Preskill'in belirttiği gibi, "Klasik olarak zor olan problemleri bulmalıyız, ancak sonra kuantum yöntemlerinin gerçekten verimli olacağını [göstermeliyiz]."

Birkaç kez araştırmacılar, sorunları klasik bir bilgisayarın yapabileceği her şeyden daha hızlı çözebilecek kuantum algoritmalarını keşfederek bunu başardıklarını düşündüler. Ama sonra birisi – genellikle genç bir araştırmacı Ewin Tang — kuantum algoritmalardan daha iyi performans gösterebilecek yeni ve akıllı klasik algoritmalar geliştirdi.

Şimdi, aralarında Preskill'in de bulunduğu bir fizikçi ekibi, şimdiye kadarki en iyi adayı buldu kuantum avantajı için. Belirli kuantum sistemlerinin enerjisini inceleyerek, bir kuantum makinesi için cevaplaması kolay, ancak klasik bir makine için hala zor olan spesifik ve yararlı bir soru keşfettiler. "Bu, kuantum algoritmaları teorisinde büyük bir ilerlemedir" dedi Sergey BravyIBM'de teorik fizikçi ve bilgisayar bilimcisi. "Sonuçları kimya ve malzeme bilimleriyle ilgili bir problem için kuantum bir avantajdır."

Araştırmacılar ayrıca yeni çalışmanın fizik bilimlerinin beklenmedik yeni alanlarını keşfetmesinden de heyecan duyuyor. Choi, "Bu yeni yetenek niteliksel olarak Shor'unkinden farklı ve potansiyel olarak kuantum algoritmaları dünyasında birçok yeni fırsatın önünü açıyor" dedi.

Sorun, çeşitli enerji durumlarındaki kuantum sistemlerinin (tipik olarak atomların) özellikleriyle ilgilidir. Atomlar durumlar arasında geçiş yaptığında özellikleri değişir. Örneğin belirli bir renkte ışık yayabilir veya manyetik hale gelebilirler. Sistemin özelliklerini çeşitli enerji durumlarında daha iyi tahmin etmek istiyorsak, bu, bilim adamlarının temel durum olarak adlandırdığı, sistemin en az uyarılmış durumunda olduğunu anlamamıza yardımcı olur.

"Birçok kimyager, malzeme bilimci ve kuantum fizikçisi temel durumları bulmak için çalışıyor" dedi. Robert Huang, yeni makale yazarlarından biri ve Google Quantum AI'da araştırma bilimcisi. "Son derece zor olduğu biliniyor."

Bu o kadar zor ki, bir asırdan fazla süren çalışmanın ardından araştırmacılar hala bir sistemin temel durumunu ilk prensiplerden belirlemeye yönelik etkili bir hesaplamalı yaklaşım bulamadılar. Kuantum bilgisayarın bunu yapmasının da bir yolu yok gibi görünüyor. Bilim insanları bir sistemin temel durumunu bulmanın hem klasik hem de kuantum bilgisayarlar için zor olduğu sonucuna vardı.

Ancak bazı fiziksel sistemler daha karmaşık bir enerji ortamı sergiliyor. Soğutulduğunda, bu karmaşık sistemler temel durumlarında değil, yerel minimum enerji seviyesi olarak bilinen yakındaki bir düşük enerji seviyesinde yerleşmekle yetinirler. (2021 Nobel Fizik Ödülü'nün bir kısmı, şu şekilde bilinen böyle bir sistem dizisindeki çalışmalara verildi: gözlük çevirin.) Araştırmacılar, bir sistemin yerel minimum enerji seviyesini belirleme sorununun aynı zamanda evrensel olarak zor olup olmadığını merak etmeye başladılar.

Cevaplar geçen yıl ortaya çıkmaya başladı. Chi-Fang (Anthony) ChenSon makalenin başka bir yazarı, yeni bir makalenin geliştirilmesine yardımcı oldu. kuantum algoritması Bu, kuantum termodinamiğini simüle edebilen (ısı, enerji ve işin kuantum sistemi üzerindeki etkisini inceleyen). Huang, "Sanırım pek çok kişi kuantum sistemlerde enerji manzarasının nasıl göründüğü sorusunu araştırdı, ancak daha önce bunu analiz edecek bir araç yoktu" dedi. Chen'in algoritması bu sistemlerin nasıl çalıştığına dair bir pencere açılmasına yardımcı oldu.

Yeni aracın ne kadar güçlü olduğunu gören Huang ve Leo ZhouYeni makalenin dördüncü ve son yazarı, bunu, kuantum bilgisayarların, ideal temel durumu kovalamak yerine bir sistemin yerel minimum enerji durumunu belirlemesi için bir yol tasarlamak için kullandı; bu, tam da kuantum hesaplama araştırmacılarının sorduğu türden sorulara odaklanan bir yaklaşım. arıyorlardı. Preskill, "Artık bir sorunumuz var: Enerjinin yerel bir miktarını bulmak, klasik olarak hâlâ zor ama kuantum açısından kolay olduğunu söyleyebiliriz." dedi. "Böylece bu bizi kuantum avantajı için olmak istediğimiz arenaya getiriyor."

Preskill liderliğindeki yazarlar, yalnızca bir sistemin yerel minimum enerji durumunu belirlemeye yönelik yeni yaklaşımlarının gücünü kanıtlamakla kalmadılar (kuantum fiziği alanında büyük ilerleme), aynı zamanda bunun nihayet kuantum bilgisayarların değerini gösterebileceği bir sorun olduğunu da kanıtladılar. Huang, "Yerel minimum bulma probleminin kuantum avantajı var" dedi.

Ve önceki adayların aksine, bu aday muhtemelen herhangi bir yeni klasik algoritma tarafından tahtından indirilemeyecek. Choi, "[Bunun] kuantumdan arındırılması pek mümkün değil" dedi. Preskill'in ekibi çok makul varsayımlarda bulundu ve birkaç mantıksal adım attı; Eğer klasik bir algoritma aynı sonuçları elde edebiliyorsa, bu, fizikçilerin başka pek çok konuda yanılıyor olması gerektiği anlamına gelir. Choi, "Bu şok edici bir sonuç olacak" dedi. "Gördüğümde heyecanlanacağım ama inanamayacak kadar şok edici olacak." Yeni çalışma, kuantum avantajını göstermek için takip edilebilir ve gelecek vaat eden bir aday sunuyor.

Açık olmak gerekirse, yeni sonuç doğası gereği hala teoriktir. Bu yeni yaklaşımı gerçek bir kuantum bilgisayarda göstermek şu anda mümkün değil. Sorunun kuantum avantajını kapsamlı bir şekilde test edebilecek bir makine yapmak zaman alacak. Yani Bravyi için iş daha yeni başlıyor. "Beş yıl önce ne olduğuna bakarsanız, yalnızca birkaç kübitlik kuantum bilgisayarımız vardı ve şimdi zaten yüzlerce, hatta 1,000 kübitlik makinelerimiz var" dedi. “Beş ya da 10 yıl sonra ne olacağını tahmin etmek çok zor. Bu çok dinamik bir alan.”

Düzeltme: 12 Mart, 2024
Bu makale, kuantum avantajına sahip bir problemin araştırılmasını daha net bir şekilde tanımlamak için düzenlendi.