Две недели на невозможное: физики решили «неразрешимую» квантовую головоломку

Физики из Флатайроновского института опровергли распространенное мнение о преимуществах квантовых компьютеров. Группа ученых из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) не только превзошла квантовый компьютер в решении специальной задачи, но и объяснила, как им это удалось.

Джозеф Тиндалл, ведущий научный сотрудник CCQ, справился с задачей всего за две недели, хотя специалисты IBM полагали, что ее можно решить только на квантовом компьютере. Задача оказалась настолько простой, что с ней справился бы даже обычный смартфон.

Все началось с публикации IBM в журнале Nature в июне 2023 года. Исследователи компании разработали эксперимент с системой переворачивающихся магнитов и заявили, что классические компьютеры не смогут его смоделировать.

Тиндалл прочитал об этом в прессе и решил проверить утверждение IBM. Он применил методы, которые его команда разрабатывала несколько лет. Вместо революционных техник ученые просто объединили существующие подходы, создав простое и эффективное решение, которое в IBM просто не заметили.

После публикации результатов в PRX Quantum в январе 2024 года Тиндалл вместе с коллегой Дрисом Селсом из Нью-Йоркского университета углубились в изучение причин такой простоты решения. Они нашли явление конфайнмента - особое поведение квантовой системы, которое раньше наблюдали только в одномерных системах.

Ученые подчеркивают, что открытие поможет лучше понять границу между возможностями квантовых и классических компьютеров. Сейчас эта граница остается размытой, и каждый подобный эксперимент помогает определить ее четче.

В квантовом масштабе магнит может указывать вверх или вниз, а также находиться в состоянии суперпозиции - одновременно в обоих направлениях. От положения магнита зависит, сколько энергии он имеет в магнитном поле.

Тиндалл отмечает, что в работе с квантовыми системами важно учитывать множество факторов. Например, даже небольшое изменение начальных условий может сильно повлиять на поведение всей системы.

Эксперимент начали с того, что направили все магниты в одну сторону. Под действием слабого магнитного поля некоторые магниты начали переворачиваться. Каждый такой магнит влиял на соседние, создавая потенциал для квантовой запутанности.

Исследователи подробно изучили, как именно распространяется влияние между магнитами. Они выяснили, что процесс происходит не хаотично, а следует определенным закономерностям.

Обычно растущая запутанность делает систему слишком сложной для классического компьютера. Но ученые показали: в замкнутой системе энергии хватает лишь на переворот редких небольших групп магнитов, что само собой ограничивает рост запутанности.

Математическая модель, которую создали исследователи, оказалась не только точной, но и универсальной. Ее можно применять для изучения других подобных квантовых систем.

Именно это энергетическое ограничение запутанности называют конфайнментом - он возник из-за двумерной геометрии системы. Магниты не превращались в хаос, а лишь колебались около исходного положения, даже если наблюдать за ними долго.

IBM случайно создала условия, где расположение магнитов в замкнутом двумерном массиве привело к конфайнменту. Тиндалл и Селс поняли: система поддается классическим методам решения именно потому, что запутанность в ней ограничена.

Открытие может существенно повлиять на развитие квантовых вычислений. Теперь ученые знают, какие задачи действительно требуют квантового компьютера, а какие можно решить классическими методами.

Ученые разработали точную математическую модель этого поведения, используя симуляции и расчеты. Модель помогает разобраться, когда в квантовых системах запутанность растет быстро, а когда остается ограниченной.

Работа открывает новые перспективы в изучении квантово-классического перехода. Исследователи планируют применить свои методы к другим квантовым системам, чтобы найти похожие закономерности.

Явление конфайнмента может проявляться и в других двумерных квантовых системах. Математическая модель Тиндалла и Селса поможет физикам понять процессы, происходящие в таких системах.

Коды, созданные исследователями, станут эталоном для экспериментаторов, разрабатывающих новые квантовые симуляции. В научном сообществе уже обсуждают, как применить эти результаты в других областях квантовой физики.