Квантовый алгоритм обошёл классические компьютеры в нахождении энергетических минимумов

Исследователями из Калифорнийского технологического института и Центра квантовых вычислений Amazon Web Services создан квантовый алгоритм, позволяющий эффективно обнаруживать локальные минимумы в сложных квантовых многочастичных системах. Это новшество может существенно ускорить решение трудных вычислительных задач, связанных с материаловедением, химией и физикой.

Обнаружение состояния с минимальным уровнем энергии в системах, где взаимодействует множество квантовых частиц, традиционно представляет собой сложную задачу как для классических, так и для квантовых компьютеров. Когда система оказывается в термической среде с определённой температурой, она охлаждается, однако не всегда достигает абсолютного энергетического минимума. Вместо этого, система может застрять в локальном минимуме, где её энергия ниже, чем у близлежащих состояний, но не является наиболее низкой возможной.

Иллюстрация: нейросеть DALL-E

Учёные объединяют методики из трёх различных физик: изучение локальных минимумов, квантовые алгоритмы оптимизации и передовые достижения квантовой термодинамики.

«Мы задались вопросом: должны ли квантовые теоретики сосредотачиваться исключительно на поиске глобальных минимумов, если они часто оказываются практически недостижимыми из-за вычислительных ограничений?» – объясняет Хсин-Юань Хуанг, один из ведущих авторов исследования.

Группа формализовала процесс естественного охлаждения квантовых систем и разработала квантовый алгоритм термичного градиентного спуска. Этот алгоритм помогает квантовому компьютеру эффективно находить локальные минимумы, имитируя природные охлаждающие процессы. Исследователи доказали, что эта задача сложна для классических компьютеров, но относительно просто реализуема на квантовых системах.

Важным техническим достижением стало доказательство того, что некоторые сложные гамильтонианы, трудные для классических алгоритмов, не содержат субоптимальных локальных минимумов. Для этого использовались принципы теории квантовой сложности и сложные математические методы для анализа влияния термических возмущений на энергетический ландшафт системы.

Результаты исследования показали, что после достижения своего предела классическими алгоритмами, квантовый алгоритм способен находить состояния с ещё более низким уровнем энергии. Это открывает новые горизонты в понимании и контроле квантовых многочастичных систем.

В будущем учёные намереваются проверить эффективность своего метода в экспериментальных условиях на современных квантовых устройствах и изучить возможность создания искусственных квантовых процессов, превосходящих естественные методы охлаждения квантовых систем.

Источник: iXBT