Ноутбук против квантового компьютера: физики решили нерешаемую задачу с помощью алгоритмов и тензорных сетей

Исследователи из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Института Флэтайрон совместно с коллегами из Бостонского университета обнаружили, что сложную задачу квантовой динамики, ранее считавшуюся посильной только для квантовых компьютеров, можно решить на обычном ноутбуке. Они разработали методику на основе тензорных сетей и алгоритма распространения доверия, которая позволяет эффективно моделировать системы из сотен взаимодействующих кубитов. Результаты этой работы опубликованы в журнале Science.

Группа физиков под руководством Джозефа Тиндалла и Майлза Стоуденмайра из CCQ поставила под сомнение недавнее заявление коллег из области квантовых вычислений, которые утверждали, что моделирование определенной сложной системы кубитов невозможно на классических машинах.

Исследователи решили проверить это на практике, используя не специализированные суперкомпьютеры, а самые обычные вычислительные ресурсы, включая личный ноутбук. Ключевым вызовом здесь является квантовая запутанность: состояние системы из многих кубитов описывается волновой функцией, размер которой растет экспоненциально с числом частиц. Хранить такую функцию в памяти классического компьютера напрямую невозможно.

Чтобы обойти это ограничение, команда применила метод тензорных сетей. Эти сети действуют как своего рода архив для волновой функции: вся информация сжимается в математическую структуру, состоящую из связанных между собой небольших таблиц чисел. Такой подход позволяет радикально уменьшить объем данных без критической потери точности.

Для работы с трехмерными решетками кубитов ученые использовали программную библиотеку ITensor, разработанную в CCQ. Особенно примечательно, что первоначальные вычисления Джозеф Тиндалл выполнил на ноутбуке, применив относительно старый, но эффективный алгоритм – распространение доверия, который был адаптирован для квантовых систем из классической области 1980-х годов.

Этот алгоритм оказался менее точным, чем некоторые современные методы, но значительно более дешевым в вычислительном отношении. В отличие от более сложных подходов, метод распространения доверия позволил быстро получить решения. Несмотря на скромное оборудование, моделирование продемонстрировало высокую точность: результаты сошлись с теоретическими предсказаниями и совпали с данными, полученными на настоящем квантовом компьютере.

Таким образом, исследователи показали, что заявления о принципиальном превосходстве квантовых машин в данной конкретной задаче были преждевременными. При этом ученые подчеркивают, что между классическим и квантовым подходами существует не конкуренция, а синергия. Инструменты, разработанные для классического моделирования, могут вдохновлять протоколы для квантовых компьютеров, и наоборот.

Классические методы имеют гораздо более низкий порог входа: не нужно строить квантовый компьютер – достаточно написать код и запустить его на обычном ПК. В ближайших планах команды – применить свои методы к еще более сложным системам, где электроны могут перемещаться между узлами решетки. Это напрямую связано с моделированием свойств реальных квантовых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники.

В итоге физики доказали, что сложную квантовую динамику систем из сотен кубитов в трехмерных решетках можно точно рассчитать на обычном персональном компьютере, используя методы тензорных сетей и алгоритм распространения доверия. Это достижение открывает новые возможности для изучения квантовых материалов и задач оптимизации без необходимости в квантовых вычислителях.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях