Calculatoarele cuantice hibride ar putea simula în final interacțiunile dintre lumină și materie
Multe dintre cele mai importante procese ale naturii depind de modul în care particulele de materie interacționează cu lumina și cu alte particule purtătoare de forță. Până în prezent, însă, s-a dovedit dificil pentru computerele convenționale să determine cum se comportă particulele individuale în cadrul acestor interacțiuni.
Acum, o echipă condusă de Eleanor Crane de la MIT a dezvoltat un set de instrumente digitale pentru simularea acestor interacțiuni folosind hardware de calcul cuantic, ceea ce ar putea permite unor astfel de mașini să depășească performanțele omologilor lor clasici fără a fi nevoie de corecție extinsă a erorilor. Cercetarea lor a fost publicată în Physical Review X.
Cerințe diferite de simulare
În fizică, particulele sunt împărțite în general în două familii: fermioni, precum electronii și cuarcii, care alcătuiesc materia, și bosoni, precum fotonii și gluonii, care transportă forțele dintre ei. În anumite cazuri, fermionii și bosonii interacționează deosebit de puternic, cum ar fi cuarcii și gluonii din interiorul protonilor și neutronilor sau electronii care se împerechează prin vibrațiile din rețelele atomice ale supracoducătorilor.
În aceste situații, puterea de calcul de care are nevoie un computer convențional pentru a urmări comportamentul fiecărei particule crește exponențial odată cu dimensiunea sistemului. Într-o anumită măsură, calculatoarele cuantice oferă o soluție la această problemă. La observare, elementele lor de bază, numite „qubiți”, pot exista într-una dintre cele două stări cuantice posibile. Deoarece doi fermioni nu pot ocupa aceeași stare cuantică, fiecare stare este fie goală, fie ocupată, ceea ce face din qubiți o platformă naturală pentru simularea lor.
Bosonii, însă, se pot aduna în aceeași stare cuantică în număr nelimitat. Într-o simulare, acest număr trebuie limitat și distribuit pe mai mulți qubiți, ceea ce impune secvențe lungi de operații predispuse la erori.
Integrarea cavităților
În studiul lor, echipa lui Crane a abordat această problemă folosind hardware care conține deja bosoni. În calculatoarele cuantice supracoductoare, qubiții sunt adesea conectați la cavități de microunde: mici cutii metalice în care un câmp electromagnetic oscilează înainte și înapoi. Până acum, aceste cavități au jucat în mare parte roluri secundare, ajutând qubiții să interacționeze între ei și să fie citiți. În acest caz, ele au preluat un rol mai direct.
Cercetătorii au tradus modele ale particulelor și câmpurilor care interacționează în operații efectuate atât pe qubiți, reprezentând fermioni, cât și pe cavități, reprezentând bosoni. Elementul crucial este că numărul de pași necesari pentru controlul unei cavități rămâne aproximativ același indiferent de câți bosoni conține aceasta, iar fiecare operație este deja disponibilă pe hardware-ul existent.
Mai puțini pași, mai puține erori
Pentru a-și testa abordarea, echipa lui Crane a calculat modul în care un astfel de procesor hibrid ar simula un model simplificat care împărtășește caracteristici cheie cu teoria ce descrie bosonul Higgs, ținând cont totodată de surse realiste de eroare. Au descoperit că un hardware hibrid care produce o eroare la fiecare 1.000 de operații ar putea egala acuratețea unei mașini bazate exclusiv pe qubiți care produce doar o eroare la fiecare 1 milion de operații, un nivel mult dincolo de tehnologia actuală.
Pe această bază, echipa a propus un experiment care ar putea depăși atât simulările clasice, cât și mașinile pe termen scurt bazate exclusiv pe qubiți.
Aplicații și perspective
Setul de instrumente al echipei ar putea ajuta cercetătorii să studieze modul în care electronii interacționează cu vibrațiile din interiorul supracoducătorilor și semiconductorilor, modul în care lumina influențează reacțiile chimice și modul în care particulele se împrăștie și evoluează în experimentele de fizică a particulelor. Acesta ar putea fi adaptat și pentru alte platforme, inclusiv ionii captivi și atomii neutri.
Deoarece hardware-ul necesar există deja în mare măsură, următorul pas va fi testarea propunerii lor, ceea ce ar putea deschide o nouă cale dincolo de calculul cuantic bazat exclusiv pe qubiți.
