Kumota kvanttiylivoimaa

Simons-säätiön Flatiron-instituutin laskennallisen kvanttifysiikan keskuksen (CCQ) fyysikot ja Bostonin yliopiston yhteistyökumppanit ovat ratkaisseet perinteisen tietokoneen ja huippuluokan matemaattisten työkalujen ja koodin avulla pelottavan kvanttifysiikan ongelman, jonka aiemmin väitettiin olevan ratkaistavissa vain kvanttitietokoneilla.

Tekniikka on tehokkuudessaan niin uraauurtava, että tutkijat pystyivät jopa käyttämään henkilökohtaista kannettavaa tietokonetta ongelman ratkaisemiseen. Mahdollistamalla tiedemiesten puristaa ylimääräistä ongelmanratkaisutehoa klassisista tietokoneista, läpimurtomenetelmä avaa uusia mahdollisuuksia kvanttidynamiikan tutkimukselle ja voi olla hyödyllinen protokollaongelmien ratkaisemiseen optimaalisen ratkaisun löytämiseksi lukuisten toteuttamiskelpoisten ratkaisujen joukosta.

Käsillä oleva ongelma liittyy kvanttijärjestelmän simulointiin, joka koostuu sadoista vuorovaikutuksessa olevista kubiteista, jotka on järjestetty neliö-, kuutio- tai timanttihilaksi.

Maaliskuussa 2025 julkaistussa tiedeartikkelissa joukko kvanttilaskennan tutkijoita raportoi laskeneensa erityisen monimutkaisen kubittijärjestelmän dynamiikan kvanttitietokoneella. He väittivät lisäksi, että klassiset tietokoneet eivät pystyisi saavuttamaan heidän saavutustaan.

”Aina kun me [CCQ:ssa] näemme tällaisia väitteitä, olemme aina hieman skeptisiä”, sanoo Joseph Tindall, CCQ:n apulaistutkija ja uuden artikkelin ensimmäinen kirjoittaja.

Ongelma tarjosi tilaisuuden viedä työkalumme "koeajoon", sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja ja CCQ-tutkija Miles Stoudenmire . "Olisimme voineet valita jonkin mielivaltaisemman kohteen", Stoudenmire sanoo. "Mutta miksi emme valitsisi tätä, johon liittyy suuri väite?'"

Työ oli erityisen haastavaa kvanttilomittumisen vuoksi, mikä tarkoittaa, että kubitteja ei voida käsitellä erikseen, vaikka ne olisivat kaukana toisistaan. Tämän lomittumisen ratkaiseminen vaatii kehittyneitä algoritmeja, Tindall sanoo.

CCQ-tiimi saavutti läpimurtonsa kehittämällä ja toteuttamalla uusia työkaluja, jotka perustuvat tensoriverkkoihin, jotka mahdollistivat ongelman ratkaisemisen klassisilla tietokoneilla.

Vaikka tutkijat käyttivät vain vaatimatonta laskentalaitteistoa, he osoittivat, että heidän simulaationsa tuottivat huippuluokan tarkkuutta. Simulaatiot päätyivät ratkaisuihin, jotka vastasivat teoreettisia ennusteita ja antoivat tarkkoja tuloksia sovellettuna pienempiin testiongelmiin. Tulokset olivat myös yhdenmukaisia kvanttilaskennan tutkijoiden raportoimien tulosten kanssa – mutta kvanttitietokonetta ei tarvittu.

Tiimi vie työtään entisestä pidemmälle kehittämällä työkaluja, jotka menevät kubittijärjestelmien ulkopuolelle ongelmiin, joissa elektronit voivat liikkua paikasta toiseen – vieläkin pelottavampi haaste, joka liittyy suoraan kvanttimateriaalien simulointiin.

”Ne ovat kvantitatiivisesti todella paljon vaikeampia ongelmia”, Stoudenmire sanoo. ”Joten se on yksi seuraavista isoista haasteistamme, jotka haluamme selvittää.”