Физики из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Института Флэтайрон Фонда Саймонса совместно с коллегами из Бостонского университета показали, что некоторые задачи, которые считались посильными только квантовым компьютерам, можно решить с помощью обычного ноутбука. Исследование опубликовано в журнале Science.
Ученые смоделировали динамику сотен взаимодействующих кубитов — квантовых аналогов привычных битов — расположенных в двумерных и трехмерных решетках. Ранее подобная система уже изучалась с помощью квантового компьютера, а авторы той работы утверждали, что классические вычислительные машины не смогут повторить такой результат.
Однако новая работа поставила это утверждение под сомнение. Исследователи применили современные методы на основе тензорных сетей и смогли воспроизвести расчеты без использования квантового оборудования. Более того, многие первые симуляции ведущий автор исследования Джозеф Тиндалл выполнил на собственном ноутбуке.
Главная проблема при моделировании квантовых систем заключается в явлении запутанности. Когда множество кубитов оказываются квантово связаны друг с другом, описывать каждый из них отдельно уже невозможно — приходится учитывать состояние всей системы сразу. При увеличении числа частиц объем необходимой информации растет экспоненциально, поэтому хранить полную волновую функцию даже для относительно небольших систем становится практически невозможно.
Решить эту проблему помогли тензорные сети. Исследователи сравнивают их с ZIP-архивом для квантовой волновой функции. Вместо хранения гигантского массива данных алгоритм сжимает информацию в компактную математическую структуру, состоящую из взаимосвязанных таблиц чисел. Это позволяет выполнять вычисления на обычном оборудовании без критической потери точности.
Для расчетов ученые использовали библиотеку ITensor, разработанную в CCQ. В более сложных сценариях они также задействовали алгоритм «belief propagation», созданный еще в 1980-х годах и недавно адаптированный для моделирования квантовых систем. По словам авторов, этот метод несколько уступает самым сложным современным алгоритмам по точности, зато требует значительно меньше вычислительных ресурсов и позволяет работать с задачами, которые ранее были практически недоступны.
Несмотря на использование обычного компьютера, результаты оказались сопоставимы с лучшими современными достижениями. Симуляции совпали как с теоретическими предсказаниями, так и с результатами, ранее полученными на квантовом компьютере. Это означает, что по крайней мере часть задач, считавшихся демонстрацией «квантового превосходства», сегодня уже можно эффективно решать классическими методами.
При этом авторы подчеркивают, что их работа не доказывает ненужность квантовых компьютеров. Напротив, они считают, что развитие классических алгоритмов и квантовых вычислений должно идти параллельно. Классические симуляции помогают лучше понимать возможности квантового оборудования, а прогресс в создании квантовых компьютеров, в свою очередь, стимулирует разработку новых математических методов.
Следующей целью исследователей станет моделирование систем, в которых электроны способны перемещаться между различными узлами кристаллической решетки. Такие расчеты значительно сложнее, но именно они необходимы для более глубокого понимания свойств реальных квантовых материалов, включая перспективные сверхпроводники.