Физикам удалось разрешить одну из наиболее запутанных квантовых моделей, используя лишь рядовой персональный компьютер, что ставит под сомнение ранее выдвигавшиеся тезисы о том, что подобные вычислительные задачи подвластны исключительно квантовым машинам. Как сообщает ScienceDaily.com, исследователи применили математический аппарат и специализированное программное обеспечение, работающее на классическом оборудовании, чтобы справиться со сложной природой квантовых систем, доступность которых для традиционных компьютеров долгое время считалась ограниченной.
Научная работа была проведена коллективом из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Института Флэтайрона Фонда Саймонса в тесном сотрудничестве с представителями Бостонского университета. Разработанный ими метод оказался настолько эффективным, что отдельные этапы вычислений, по словам ученых, можно было выполнять на индивидуальном ноутбуке без привлечения суперкомпьютерных мощностей.
Экономия ресурсов и вызов квантовому превосходству
Благодаря экономии значительной части вычислительных ресурсов, достигаемой при использовании обычного оборудования, новая методика способна существенно расширить спектр проблем квантовой динамики, доступных для изучения. Более того, этот подход может предложить практическое решение в области задач оптимизации, где исследователям необходимо отыскать наилучший ответ среди огромного множества возможных вариантов. Полученные результаты были опубликованы в авторитетном журнале Science.
Основная сложность, с которой столкнулись ученые, заключалась в моделировании сотен взаимодействующих «кубитов» — квантовых битов, переносимых в архитектуру классических компьютеров. Кубиты, в отличие от обычных битов, хранящих только 0 или 1, могут существовать в суперпозиции нескольких состояний. Это свойство наделяет квантовые системы их уникальными возможностями, но одновременно делает их поведение чрезвычайно трудным для точного воспроизведения на классическом компьютере. В ходе эксперимента кубиты располагались в виде квадратных, кубических или ромбовидных решеток.
В более ранней статье, датированной мартом 2025 года (также опубликованной в журнале Science), другая группа исследователей сообщила об использовании квантового компьютера для расчета динамики традиционных систем кубитов. Та команда заявила, что классический компьютер неспособен сравниться с этим достижением. «Всякий раз, когда мы [в CCQ] видим подобные заявления, мы всегда настроены немного скептически», — прокомментировал Т. Джозефиндалл, младший научный сотрудник CCQ и первый автор новой научной статьи. «Типа: „Ты это пробовал? Ты это пробовал?» — добавил он, подчеркнув, что наблюдение CCQ предложило убедительный способ проверки их собственных методов. Соавтор исследования и научный сотрудник CCQ Майлз Стоуденмайр отметил, что из-за этой проблемы пришлось взять свои инструменты «на тест-драйв». «Мы могли бы выбрать какую-нибудь более произвольную цель, — пояснил Стоуденмайр. — Но это было что-то вроде: „Почему бы не выбрать тот, к которому придерживаются более крупные позиции?»
Одним из ключевых препятствий стала проблема квантовой запутанности. Когда кубиты запутываются, их свойства меняются местами, даже если кубиты разделены на определенные расстояния. В результате исследователи не могут моделировать каждый кубит независимо — вместо этого для описания всей системы необходимы сложные алгоритмы. «Когда у вас есть множество частиц, которые взаимодействуют с квантовой физикой, у вас есть волновая функция, которая описывает состояние системы, — объясняет Тиндалл. — Это огромный объект, который быстро становится все больше и больше, чем больше в нем частиц». Волновая функция, содержащая всю информацию о квантовой системе, увеличивается экспоненциально по мере добавления новых частиц. По словам ученого, из-за этого роста «я просто не могу напрямую сохранить ее на своем компьютере». Работа с такими портативными устройствами является постоянной проблемой квантовой физики, однако эти расчеты необходимы для предсказания поведения квантовых материалов, включая сверхпроводники.
Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи разработали и применили новые инструменты на основе тензорных сетей. Эти математические структуры сжимают информацию, содержащуюся в волновой функции, чтобы ее можно было обрабатывать более эффективно. Тиндалл сравнивает этот подход с «волновой функцией zip-файла, в которой вы взяли всю эту информацию и слили ее в эту математическую структуру данных, полные эти маленькие тензоры», что позволяет работать с квантовыми системами на обычном оборудовании, включая персональные ноутбуки.
ькие таблицы чисел, которые соединили друг с другом».
Такое удлинение сделало моделирование возможным на классических компьютерах. Тиндалл выполнил многие первые вычисления на ноутбуке, используя ITensor, высокопроизводительную программную программу для тензорных сетей, созданную в CCQ.
Новые симуляции также работают, как команда ITensor адаптирует тензорные методы для решения новых типов задач. В данном случае исследователи смоделировали трехмерную квантовую динамику с помощью трехмерной тензорной сети.
«Это очень сильное сжатие, которое может быть очень эффективным, но это довольно сложный математический объект», — сказал он. — говорит Тиндалл. «Это действительно что-то вроде границы, потому что работа трупов с объектами, особенно в трёх измерениях, очень неизведана. Чтобы справиться с ними, вам нужны сложные коды и алгоритмы; это сама по себе задача разработки программного обеспечения».
Старый алгоритм найти новое приложение
Многие симуляции требуют сравнительно скромных вычислительных ресурсов. Для первых расчетов Тиндалл использовал распространение убеждений — алгоритм, разработанный в 1980-х годах, который исследователи недавно адаптировали для квантовых систем.
«Это немного более подходящий метод, чем некоторые другие методы, но он намного дешевле, и мы можем гораздо эффективнее применить его для решения более сложных задач», — сказал он. — говорит Стоуденмайр.
Он противопоставляет этому «более сложные методы, применявшиеся в прошлом в нашей области»; что «не смогу даже приступить к решению некоторых из этих трехмерных задач, потому что они настолько велики».
Хотя оборудование было скромным, результаты соответствовали современному уровню точности. Моделирование давало решения, которые вычисляли предсказания по предсказаниям, и хорошо работало с учетом небольших задач, где можно было проверить правильные ответы.
Самое главное, что результаты совпали с результатами, полученными ранее с помощью квантового компьютера. Разница заключалась в том, что новые вычисления не требуют квантового оборудования.
Классические и квантовые вычисления могут работать вместе
Полученные результаты обсуждают дискуссию о том, где заканчиваются классические вычисления и начинается квантовое преимущество. Однако Тиндалл и Стоуденмайр подчеркивают, что эти две области не просто конкурируют друг с другом.
Классическое моделирование может помочь исследователям понять, что потенциальные квантовые компьютеры, прогресс в области квантового оборудования могут вдохновить на создание новых классических методов.
«Хорошая сторона дебатов о классических и квантовых вычислениях заключается в том, что существует большая синергия между тем типом исследования, который нас интересует, и кодами, которые пишем, и тем, что можно реализовать на этих квантовых компьютерах», — сказал он. — говорит Тиндалл. «Это может помочь нам, а также может помочь исследователям квантовых вычислений, потому что, очевидно, барьер для входа в симуляцию определенных вещей для нас намного проще, чем для них, потому что нам не нужно создавать квантовый компьютер». Я могу просто написать код и нажать «Запустить» на своем личном компьютере».
Следующая задача квантового исследования
В настоящее время исследователи разрабатывают методы, выходящие за рамки систем, состоящих только из кубитов. Их следующая цель — смоделировать электроны, которые могут перемещаться между разными местами.
Эти системы значительно сложнее моделировать, но они также имеют прямое отношение к пониманию собственных квантовых материалов.
«На самом деле в количественном отношении к этой гораздо более сложной проблеме», — сказал он. — говорит Стоуденмайр. «Итак, это одна из наших следующих больших полос, которую мы хотим увидеть».