علمی، پژوهشی و فناوری

به چالش کشیدن برتری کوانتومی؛ قدرت شگفت انگیز رایانه های کلاسیک

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : رایانه‌های کلاسیک در شبیه‌سازی یک سیستم آهنربای کوانتومی دوبعدی از رایانه‌های کوانتومی بهتر عمل کردند و پدیده‌های محصور شدن غیرمنتظره را نشان دادند. این کشف توسط محققان موسسه Flatiron محدودیت های عملی محاسبات کوانتومی را دوباره تعریف می کند و درک مرزهای محاسباتی کوانتومی کلاسیک را افزایش می دهد.

کامپیوتر کلاسیک بر مزیت کوانتومی پیروز می شود

در اوایل سال جاری، محققان مرکز فیزیک کوانتومی محاسباتی موسسه Flatiron (CCQ) اعلام کردند که با موفقیت از یک کامپیوتر کلاسیک و مدل‌های پیچیده ریاضی برای عملکرد بهتر از یک کامپیوتر کوانتومی در کاری که برخی فکر می‌کردند فقط کامپیوترهای کوانتومی قادر به حل آن هستند، استفاده کرده‌اند.

اکنون، آن محققان مشخص کرده اند که چرا توانسته اند کامپیوتر کوانتومی را در بازی خودش شکست دهند. پاسخ آنها که در 29 اکتبر در Physical Review Letters ارائه شد ، نشان می‌دهد که مشکل کوانتومی که آنها با آن مقابله کردند - شامل یک سیستم کوانتومی دو بعدی خاص از آهنرباهای چرخان - رفتاری را نشان می‌دهد که به عنوان محصور شدن شناخته می‌شود. این رفتار قبلاً در فیزیک ماده چگال کوانتومی فقط در سیستم های یک بعدی دیده شده بود.

جوزف تیندل، نویسنده اصلی، پژوهشگر CCQ می‌گوید این یافته غیرمنتظره به دانشمندان کمک می‌کند تا خط تقسیم‌بندی توانایی‌های رایانه‌های کوانتومی و کلاسیک را بهتر درک کنند و چارچوبی برای آزمایش شبیه‌سازی‌های کوانتومی جدید فراهم کند.

شفاف سازی مرزهای کوانتومی
او می‌گوید: «مرزهایی وجود دارد که آنچه را که می‌توان با محاسبات کوانتومی انجام داد و آنچه را که با رایانه‌های کلاسیک می‌توان انجام داد، از هم جدا می‌کند. "در حال حاضر، این مرز به طرز باورنکردنی مبهم است. فکر می‌کنم کار ما کمک می‌کند تا این مرز را کمی بیشتر روشن کنیم.»

با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی، کامپیوترهای کوانتومی مزایای بزرگی را در قدرت پردازش و سرعت نسبت به کامپیوترهای کلاسیک نوید می دهند. در حالی که محاسبات کلاسیک توسط عملیات دودویی یک و صفر محدود می‌شوند، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند از کیوبیت‌ها استفاده کنند که می‌توانند هم‌زمان ۰ و ۱ را نشان دهند تا اطلاعات را به روشی اساسی متفاوت پردازش کنند.

با این حال، فناوری کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی است و هنوز برتری خود را نسبت به رایانه های کلاسیک به طور قانع کننده ای نشان نداده است. همانطور که دانشمندان تلاش می کنند تا بفهمند کامپیوترهای کوانتومی در کجا ممکن است دارای لبه باشند، آنها با مشکلات پیچیده ای روبرو می شوند که محدودیت های کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی را آزمایش می کند.

به چالش کشیدن برتری کوانتومی

نتایج یکی از آزمایش‌های اخیر رایانه‌های کوانتومی در ژوئن 2023 منتشر شد، زمانی که محققان IBM مقاله‌ای را در مجله Nature منتشر کردند . مقاله آنها آزمایشی شبیه سازی سیستمی با آرایه ای از آهنرباهای چرخان کوچک را که در طول زمان تکامل می یابند، شرح داد. محققان ادعا کردند که این شبیه سازی فقط با یک کامپیوتر کوانتومی امکان پذیر است، نه یک کامپیوتر کلاسیک. پس از اطلاع از مقاله جدید از طریق پوشش مطبوعاتی، تیندل تصمیم گرفت این چالش را انجام دهد.

Tindall در چندین سال گذشته با همکاران خود برای ایجاد الگوریتم ها و کدهای بهتری برای حل مسائل پیچیده کوانتومی با رایانه های کلاسیک کار کرده است. او این روش‌ها را در شبیه‌سازی IBM به کار برد و تنها در عرض دو هفته ثابت کرد که می‌تواند با قدرت محاسباتی بسیار کمی مشکل را حل کند - حتی می‌توان آن را روی یک گوشی هوشمند نیز انجام داد.

Tindall می گوید: «ما واقعاً هیچ تکنیک پیشرفته ای را معرفی نکردیم. ما ایده‌های زیادی را به روشی مختصر و ظریف گرد هم آوردیم که مشکل را قابل حل کرد. این روشی بود که آی‌بی‌ام آن را نادیده گرفته بود و بدون نرم‌افزار و کدهای خوب به‌راحتی پیاده‌سازی نمی‌شد.»

کاوش در محدودیت کوانتومی

تیندل و همکارانش یافته های خود را در ژانویه 2024 در مجله PRX Quantum منتشر کردند ، اما تیندل به همین جا بسنده نکرد. با الهام از سادگی نتایج، او و نویسنده همکارش Dries Sels از موسسه Flatiron و دانشگاه نیویورک تصمیم گرفتند تا تعیین کنند که چرا این سیستم را می توان به راحتی با یک کامپیوتر کلاسیک حل کرد، در حالی که در سطح به نظر می رسید یک مشکل بسیار پیچیده

Tindall می‌گوید: «ما شروع به فکر کردن درباره این سؤال کردیم و متوجه تعدادی شباهت در رفتار سیستم با چیزی شدیم که مردم در یک بعد به نام حبس دیده بودند.

 اینفوگرافیک سیستم کوانتومی را توضیح می دهد که یک کامپیوتر کلاسیک سریعتر از یک کامپیوتر کوانتومی حل می کند. اعتبار: لوسی ریدینگ-ایکاندا/بنیاد سیمونز محصور شدن پدیده‌ای است که می‌تواند تحت شرایط خاص در سیستم‌های کوانتومی بسته ایجاد شود و مشابه محصور شدن کوارک شناخته شده در فیزیک ذرات است. برای درک محدودیت، اجازه دهید با برخی از اصول کوانتومی شروع کنیم. در مقیاس‌های کوانتومی، یک آهن‌ربای منفرد می‌تواند به سمت بالا یا پایین جهت‌گیری شود، یا می‌تواند در یک «ابرجایگاه» باشد - یک حالت کوانتومی که در آن به طور همزمان به سمت بالا و پایین اشاره می‌کند. بالا یا پایین بودن آهنربا بر میزان انرژی آن در زمان قرار گرفتن در میدان مغناطیسی تأثیر می گذارد.

درهم تنیدگی محدود در سیستم های بسته

در راه اندازی اولیه سیستم، آهنرباها همه در یک جهت قرار داشتند. سپس سیستم با یک میدان مغناطیسی کوچک مختل شد و باعث شد که برخی از آهنرباها بخواهند بچرخند، که همچنین آهنرباهای همسایه را تشویق به چرخش کرد. این رفتار - جایی که آهن‌رباها بر چرخش یکدیگر تأثیر می‌گذارند - می‌تواند منجر به درهم‌تنیدگی، پیوند برهم‌نهی آهن‌رباها شود. با گذشت زمان، افزایش درهم تنیدگی سیستم، شبیه سازی را برای کامپیوترهای کلاسیک سخت می کند.

با این حال، در یک سیستم بسته، فقط انرژی زیادی برای دور زدن وجود دارد. در سیستم بسته خود، Tindall و Sels نشان دادند که تنها انرژی کافی برای چرخاندن دسته‌های کوچک و پراکنده جهت‌گیری وجود دارد که مستقیماً رشد درهم‌تنیدگی را محدود می‌کند. این محدودیت مبتنی بر انرژی در درهم تنیدگی به عنوان محصور شدن شناخته می شود و به عنوان یک نتیجه کاملا طبیعی از هندسه دو بعدی سیستم رخ داده است.

در این سیستم، آهنرباها به طور ناگهانی بالا نمی روند. آنها در واقع حول حالت اولیه خود نوسان خواهند کرد، حتی در بازه های زمانی بسیار طولانی،" تیندل می گوید. از منظر فیزیک بسیار جالب است، زیرا این بدان معناست که سیستم در حالتی باقی می‌ماند که ساختار بسیار خاصی برای خود دارد و فقط کاملاً بی‌نظم نیست.»

کشف یک مدل ریاضی برای حبس

به طرز عجیبی، IBM در آزمایش اولیه خود، مشکلی را ایجاد کرده بود که در آن سازماندهی آهنرباها در یک آرایه دو بعدی بسته منجر به محدود شدن می شد. Tindall و Sels متوجه شدند که از آنجایی که محصور شدن سیستم میزان درهم تنیدگی را کاهش می دهد، مشکل را به اندازه ای ساده نگه می دارد که بتوان با روش های کلاسیک توضیح داد. Tindall و Sels با استفاده از شبیه سازی و محاسبات ریاضی، یک مدل ریاضی ساده و دقیق ارائه کردند که این رفتار را توصیف می کند.

مسیرهای جدید در فیزیک کوانتومی

تیندل می گوید: «یکی از سؤالات باز بزرگ در فیزیک کوانتومی این است که بفهمیم درهم تنیدگی چه زمانی به سرعت رشد می کند و چه زمانی رشد نمی کند. این آزمایش به ما درک خوبی از مثالی می دهد که در آن به دلیل مدل مورد استفاده و ساختار دو بعدی پردازنده کوانتومی، درهم تنیدگی در مقیاس بزرگ را دریافت نمی کنیم.

نتایج نشان می دهد که خود محصور شدن می تواند در طیف وسیعی از سیستم های کوانتومی دو بعدی ظاهر شود. اگر چنین باشد، مدل ریاضی توسعه یافته توسط Tindall و Sels ابزار ارزشمندی برای درک فیزیک در آن سیستم ها ارائه می دهد. علاوه بر این، کدهای مورد استفاده در این مقاله می‌توانند ابزاری برای محک زدن برای دانشمندان تجربی فراهم کنند تا از آن‌ها در توسعه شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای جدید برای سایر مسائل کوانتومی استفاده کنند.