Квантовые компьютеры обогнали суперкомпьютеры в вычислениях в области физики частиц

Учёные из компании Quantinuum в сотрудничестве с Университетом Фрайбурга показали превосходство квантовых компьютеров перед традиционными суперкомпьютерами в расчётах, связанных с взаимодействием элементарных частиц. В ходе совместных исследований было установлено, что квантовые методы интеграции значительно превышают по эффективности классические подходы при вычислении «сечений взаимодействия», которые являются ключевыми параметрами для описания рассеяния частиц в таких экспериментах, как те, что проводятся на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе.

Основой их исследования стал уникальный квантовый алгоритм, разработанный специалистами, который использует технику квантовой интеграции методом Монте-Карло (QMCI). Данная методика является квантовым аналогом классических методов Монте-Карло, но предлагает квадратичное ускорение вычислительных процессов. Это подразумевает, что квантовому компьютеру требуется значительно меньше выборок для достижения аналогичной точности, чем классическому устройству.

Исследователи Ифан Уильямс из Quantinuum и Матьё Пеллен из Университета Фрайбурга внедрили особую версию алгоритма QMCI, основанную на преобразовании Фурье. Этот подход позволяет разложить сложные функции на сумму синусоид и косинусоид, что значительно упрощает вычисления.

Экспертные оценки показывают, что ежегодно расчёты в экспериментах на БАК требуют около 10 миллиардов процессорных часов, при этом 15-25% этого времени связано с теоретическими предсказаниями. Снижение этих затрат хотя бы на 10% может привести к значительным ресурсным экономиям.

Однако исследователи обращают внимание на то, что современная квантовая техника пока ещё не готова осуществлять полноценные вычисления. Современные квантовые компьютеры промежуточного уровня (NISQ) не обладают необходимой мощностью для выполнения таких алгоритмов в полном объёме. Выполнение даже относительно простых расчетов может потребовать миллионы квантовых операций и больше кубитов, чем современные устройства могут предложить.

Несмотря на это, с развитием высоконадёжных квантовых компьютеров эти ограничения вероятно будут устранены. Учёные видят потенциал квантовых вычислений не только в сфере физики частиц, но и в иных областях, где требуются сложные интегральные расчёты — таких как финансовое моделирование и прогнозирование погодных условий.

Источник: iXBT