Supertietokone valon ja aineen yhdistelmästä

Cambridgen, Southamptonin ja Cardiffin yliopistot sekä venäläisen Skolkovo-instituutin tutkijat ovat käyttäneet kvanttihiukkasia eli polaritoneja, jotka ovat puoliksi valoa ja puoliksi ainetta - toimimaan majakkana osoittamassa tietä yksinkertaisempaan ratkaisuun monimutkaisissa ongelmissa.

Tämä täysin uudenlainen suunnitelma voisi muodostaa uuden tietokonetyypin, joka pystyy ratkaisemaan tällä hetkellä ratkaisemattomia ongelmia monilla eri aloilla, kuten biologia, rahoitus tai avaruusmatkat.

Teknologinen kehityksemme - mallintaa proteiinin kerrostumista ja rahoitusmarkkinoiden käyttäytymistä uusien materiaalien kehittämiseen ja täysin automatisoituun avaruusmatkaan syvälle avaruuteen - riippuu kyvystämme löytää ongelman matemaattisen muotoilun optimaalinen ratkaisu: absoluuttinen vähimmäismäärä askelia, joita tarvitaan ongelman ratkaisemiseksi.

Optimaalisen ratkaisun etsiminen on analoginen etsiä alhaisinta pistettä vuoristoisessa maastossa. Retkeilijä voi löytää notkelman mutta seuraavan vuoren takana voi olla vielä syvempi notkelma. Tällainen haku voi tuntua turhauttavalta luonnollisessa maastossa, mutta miten monimutkainen se on äärettömiin ulottuvassa avaruudessa.

Nykyaikaiset supertietokoneet pystyvät käsittelemään tällaisia ongelmia vain pienellä osajoukolla ja jopa hypoteettinen kvanttitietokone tarjoaa parhaimmillaankin vain nelinkertaisen nopeuttamisen "brute-force" -haulle globaalin minimin etsintään.

Tutkijat lähestyivät ongelmaa uudesta näkökulmasta: mitä jos sen sijaan, että haetaan vuoristomaaston alita pistettä, täytetään maisema maagisella pölyllä, joka loistaa vain syvimmällä tasolla, jolloin se muuttuu helposti havaittavaksi merkiksi ratkaisulle?

Heidän maagisen pölyn polaritoni syntyy valaisten laserilla valittujen atomien kerroksia. Näissä kerroksissa olevat eri elektronit absorboivat ja emittoivat tietyn värin valoa. Polaritonit ovat kymmenentuhatta kertaa kevyempiä kuin elektronit ja saattavat saavuttaa riittävän tiheyden muodostamaan Bose-Einstein-kondensaatin, jossa polaritonien kvanttifaasit synkronoivat ja muodostavat yhden makroskooppisen kvanttiobjektin, joka voidaan havaita fotoluminenssimittauksilla.

Tutkijat kertovat olevansa vasta alussa tutkia polaritonigraafien mahdollisuuksissa monimutkaisten ongelmien ratkaisemiseksi. "Parhaillaan parannamme laitettamme satoihin solmuihin testaten samalla sen perustavaa laatua olevaa laskentatehoa. Lopullinen tavoite on mikrosiruinen kvanttisimulaattori, joka toimii ympäristön olosuhteissa.