Νέα κβαντική προσομοίωση ξεκλειδώνει ανακαλύψεις αδύνατες για τους σημερινούς υπερυπολογιστές

Οι ερευνητές της Google αποκάλυψαν μια νέα μέθοδο «κβαντικής προσομοίωσης» που χρησιμοποιεί την υπολογιστική ισχύ για να μιμηθεί τη συμπεριφορά ενός ισχυρού κβαντικού συστήματος. Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε κβαντικούς υπολογιστές που μπορούν να ξεπεράσουν τους υπερυπολογιστές μέσα σε πέντε χρόνια και να οδηγήσουν σε ανακαλύψεις στην ανακάλυψη φαρμάκων και στην ανάπτυξη μπαταριών.

Η κβαντική προσομοίωση είναι μια διαδικασία κατά την οποία οι υπολογιστές προσομοιώνουν φυσικές διεργασίες και μεγάλα κβαντικά συστήματα, όπως πολύπλοκα μόρια. Ουσιαστικά, οι μηχανικοί προσομοιώνουν φυσικές διεργασίες στις οποίες κυριαρχούν τα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής.

Αυτό όμως είναι δύσκολο να γίνει με κλασικούς υπολογιστές, επειδή πρέπει να μοντελοποιηθεί η αλληλεπίδραση κάθε σωματιδίου με κάθε άλλο σωματίδιο. Επειδή τα υποατομικά σωματίδια έχουν την πιθανότητα να βρίσκονται σε πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα και μπορούν να περιπλέκονται μεταξύ τους, η πολυπλοκότητα αυτών των υπολογισμών εκτοξεύεται γρήγορα όσο αυξάνεται ο αριθμός των εμπλεκόμενων σωματιδίων.

Αντ' αυτού, οι επιστήμονες στρέφονται στους κβαντικούς υπολογιστές, των οποίων η συμπεριφορά διέπεται ήδη από τους νόμους της κβαντομηχανικής, για να λύσουν τα προβλήματα. Αν τα qubits είναι διεμπλεγμένα ή συνδεδεμένα μεταξύ τους με τον σωστό τρόπο, μπορούν να μιμηθούν μεγαλύτερα κβαντικά συστήματα χωρίς να χρειάζεται να υπολογίζεται ρητά κάθε βήμα στην εξέλιξη του συστήματος.

Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η «κβαντική προσομοίωση». Υπάρχουν δύο τύποι κβαντικής προσομοίωσης. Η ψηφιακή προσομοίωση επιτρέπει στους ερευνητές να περιστρέφονται επιλεκτικά μεταξύ κβαντικών καταστάσεων με την εμπλοκή και την αποσύνδεση διαφορετικών ζευγών qubit (δύο εμπλοκών qubit) σε σειρά. Η αναλογική προσομοίωση, εν τω μεταξύ, είναι πολύ ταχύτερη. Αυτή περιλαμβάνει την εμπλοκή όλων των qubits σε ένα σύστημα ταυτόχρονα, αλλά δεδομένου ότι τα qubits μπορεί να είναι επιρρεπή σε σφάλματα, αυτό αυξάνει τον κίνδυνο η έξοδος της προσομοίωσης να μετατραπεί σε ανούσιο θόρυβο.

Αυτή η «υβριδική» προσέγγιση ξεκινά με ένα ψηφιακό επίπεδο προσομοίωσης, όπου οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την ευελιξία του συστήματος για να προετοιμάσουν τις αρχικές κβαντικές καταστάσεις κάθε ζεύγους qubit, επιλέγοντας την πιο κατάλληλη θέση για να ξεκινήσουν. Στη συνέχεια, η διαδικασία μεταβαίνει στην αναλογική προσομοίωση, η οποία μπορεί να εξελιχθεί προς τις συγκεκριμένες κβαντικές καταστάσεις που θέλουν να μελετήσουν οι επιστήμονες. Τέλος, η διαδικασία μεταβαίνει ξανά σε ψηφιακή προσομοίωση για τη λεπτομερή ρύθμιση και διερεύνηση των κβαντικών καταστάσεων ώστε να επιλυθούν τα πιο ενδιαφέροντα προβλήματα της προσομοιωμένης φυσικής.

Η νέα έρευνα σημαίνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές πιθανότατα θα ξεπεράσουν τους συμβατικούς υπερυπολογιστές σε πρακτικά περιβάλλοντα μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια, όπως ανέφερε ο Hartmut Neven, ιδρυτής και επικεφαλής της Google Quantum AI. Οι εκτιμήσεις για το χρόνο ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό, με ορισμένους να υποστηρίζουν ότι αυτό μπορεί να απέχει ακόμη και 20 χρόνια ή να είναι εφικτό μέσα στα επόμενα δύο χρόνια.

Οι ερευνητές έχουν ήδη αποδείξει ότι τα chips των κβαντικών υπολογιστών της Google, συμπεριλαμβανομένου του Sycamore και του Willow που παρουσιάστηκε πρόσφατα, μπορούν να ξεπεράσουν τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές, αλλά μέχρι στιγμής μόνο σε συγκριτικές δοκιμές. Για να επιτευχθεί υπεροχή σε ένα πρακτικό σενάριο, οι επιστήμονες δήλωσαν ότι πρέπει να κάνουν περαιτέρω βελτιώσεις στη βαθμονόμηση και την ακρίβεια του ελέγχου, καθώς και να βελτιώσουν το υλικό. Πρέπει επίσης να εντοπίσουν προβλήματα που αφενός μπορούν να επιλυθούν με κβαντική προσομοίωση και αφετέρου είναι πολύ περίπλοκα για να αντιμετωπιστούν με τη χρήση κλασικών υπολογιστών.

Ωστόσο, η νέα υβριδική έρευνα δίνει τη δυνατότητα στους σημερινούς κβαντικούς υπολογιστές να ενισχύσουν τις δυνατότητες των ταχύτερων υπερυπολογιστών. Και αυτή η υβριδική προσέγγιση αξιοποιείται ήδη για την πραγματοποίηση νέων επιστημονικών ανακαλύψεων, τις οποίες πέτυχαν οι επιστήμονες της Google κατά τη δοκιμή της νέας τους προσέγγισης. Για παράδειγμα, στη συμπεριφορά των μαγνητών, οι επιστήμονες της Google αντιμετώπισαν ερωτήματα σχετικά με το πώς συμπεριφέρεται ένας μαγνήτης όταν ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και πώς ρέει η ενέργεια από ένα θερμό σε ένα ψυχρό μέρος.

Η υβριδική προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε επίσης για να δείξει ότι ο μηχανισμός Kibble-Zurek (KZM) - ένα ευρέως θεωρούμενο μοντέλο που προβλέπει πού σχηματίζονται ατέλειες σε ένα υλικό - δεν ισχύει πάντα. Αντίθετα, η νέα υβριδική προσομοίωση αποκάλυψε εντελώς νέα φυσική. Αυτό είναι ένα παράδειγμα του είδους των ανακαλύψεων που μπορεί να αντιμετωπίσει η υβριδική προσέγγιση της κβαντικής προσομοίωσης, δήλωσαν οι επιστήμονες.

[via]