Kvanttitietokoneella, tekoälyllä vai paperilla ja kynällä

Kvanttitietokoneet lupaavat päihittää nykypäivän perinteiset tietokoneet monilla tieteen aloilla, mukaan lukien kemia, fysiikka ja kryptografia, mutta niiden ylivoimaisuuden todistaminen on ollut haastavaa.

Äskettäin Caltechin johtama tutkijaryhmä on tunnistanut yleisen fysiikan ongelman, jonka ratkaisemisessa nämä futuristiset koneet olisivat erinomaiset. Ongelma liittyy simulointiin, siitä kuinka materiaalit jäähtyvät alhaisimpaan energiaan.

"Luonnossa voimme jäähdyttää materiaalin sen alhaisimman energian tilaan", sanoo fysiikan professori John Preskill. "Mutta mallintaminen, miten tämä tapahtuu, on haastavaa kvanttitietokoneelle ja vielä vaikeampaa klassiselle tietokoneelle."

Työssään ryhmä kehitteli kvanttialgoritmin, jota voidaan käyttää teoriassa minkä tahansa materiaalin matalaenergisten tilojen - joita fyysikot kutsuvat paikallisiksi minimeiksi - löytämiseen. Tutkijat haluavat löytää alhaisimman energian eli stabiileimman materiaalin tilat voidakseen ennustaa materiaalien käyttäytymistä. Materiaalin kaikkein pienintä energian tilaa kutsutaan sen perustilaksi.

Klassisille tietokoneille näiden paikallisten minimien löytäminen voi olla todella vaikea ongelma koska ne saattavat jumiutua johonkin paikalliseen minimitasoon, mutta eivät välttämättä löydä perimmäistä paikallista minimiä.

Kvanttitietokoneet ovat parempia tällaisissa ongelmissa löytämällä tapoja mennä pidemmälle ja ollen siten parempia navigoimaan energiamaisemassa.

Preskillin mukaan "tapa laskea ja kokeellisesti päästä paikallisiin minimiin ajamalla järjestelmiä kauaksi lämpötasapainosta voisi olla tapa muuttaa kvanttimateriaalien ominaisuuksia tarpeen mukaan."

Erilaisia kemiallisia ongelmia on ratkaistu jo pidempää erilaisten kvanttitietotekniikan sovelluksien avulla. Uusin uutinen kertoo, että tekoälyn ja kvanttitietokoneen yhteistyö voi ennakoida salmonellan mikrobiresistenssia.

Perinteisetkään tietokoneet eivät luovuta. Äskettäin atomien rakenteen hiukkasiin liittyvä haaste ratkaistiin supertietokonelaskelmilla. Yhdysvaltain energiaministeriön tieteilijät saivat aikaan ensimmäisen tarkan teoreettisen kuvan sigma mesonista. Toisaalla ydinfyysikot ovat kehittäneet ja toteuttaneet algoritmeja kvanttityhjiön ja hadronien valmistelemiseksi yli 100 kubitin IBM:n kvanttitietokoneissa.

Einsteinin tavoitteena oli selittää sähkömagnetismi neliulotteisen aika-avaruuden geometrisena ominaisuutena. Hän jatkoi tätä työtä kuolemaansa saakka vuonna 1955. Työtä ei saatu päätökseen.

Aiheeseen on paneutunut moniakin tieteilijöitä mutta nyt tutkijaryhmä Andras Kovacs, Jussi Lindgren ja Jukka Liukkonen ovat luoneet uuden näkökulman aiheeseen uusilla epälineaarisilla Maxwellin yhtälöillä.

Lähestymistavassa sähkövaraus ja sähkövirrat sekä sähkömagneettiset voimat nähdään puhtaasti itse aika-avaruuden ominaisuuksina, ei ulkoisina esineinä.

Johtopäätöksissään tutkijat osoittavat, että valo ja kaikki sähkömagneettinen säteily ovat todellakin itse avaruus-ajan värähtelyjä. Mitä tulee vanhempiin "eetterin" teorioihin, näyttää siltä, että Einstein oli oikeassa, kun hän päätteli, että "eetteri" on aika-avaruus.

Tässä työssä lienee käytetty vain kynää ja paperia ja ehkä pöytätietokonetta.

Aiheista aiemmin:

Laskentaa atomien kanssa

Tekoälyn voimaa

Einsteinin valokvantit Maxwellin yhtälöiden linssin läpi