Naukowcy z Google ogłosili przełomową metodę symulacji kwantowej, która łączy dwa podejścia – symulację cyfrową i analogową. Ich nowy model może przyspieszyć rozwój komputerów kwantowych i umożliwić przeprowadzanie obliczeń, które są poza zasięgiem nawet najpotężniejszych superkomputerów. Eksperci przewidują, że w ciągu najbliższych pięciu lat technologia ta znajdzie praktyczne zastosowania w takich dziedzinach jak odkrywanie nowych leków, rozwój bardziej wydajnych baterii czy badania nad nowymi materiałami.

Jak działa symulacja kwantowa?

Symulacja kwantowa to technika, która pozwala komputerom odwzorowywać skomplikowane zjawiska fizyczne, zwłaszcza te, które podlegają prawom mechaniki kwantowej. Tradycyjne komputery mają trudności z symulowaniem systemów kwantowych, ponieważ muszą śledzić interakcje pomiędzy wszystkimi cząstkami, co powoduje gwałtowny wzrost złożoności obliczeń.

Komputery kwantowe, działające według zasad mechaniki kwantowej, mogą jednak bezpośrednio odwzorowywać te procesy. Wykorzystują do tego specjalne jednostki obliczeniowe zwane kubitami, które mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie i wchodzić ze sobą w unikalne relacje zwane splątaniem. Odpowiednio zaprogramowane, mogą znacznie szybciej przeprowadzać skomplikowane symulacje niż klasyczne maszyny.

Kubit – podstawowa jednostka informacji w komputerze kwantowym, odpowiednik klasycznego bitu, ale mogący znajdować się w wielu stanach jednocześnie.

Splątanie kwantowe – zjawisko, w którym dwa lub więcej kubitów są tak powiązane, że zmiana stanu jednego z nich natychmiast wpływa na drugi, niezależnie od odległości między nimi.

Symulacja kwantowa – metoda obliczeniowa, w której komputery kwantowe modelują złożone układy fizyczne, niemożliwe do dokładnego odwzorowania na klasycznych komputerach.

Nowe podejście Google – hybrydowa symulacja kwantowa

Najnowsza metoda zaprezentowana przez Google łączy zalety dwóch podejść do symulacji kwantowej:

• Symulacja cyfrowa – precyzyjna, ale wolniejsza, ponieważ wymaga manipulowania pojedynczymi parami kubitów w uporządkowany sposób.
• Symulacja analogowa – znacznie szybsza, pozwalająca na jednoczesne sprzężenie wielu kubitów, lecz bardziej podatna na błędy.

Nowa strategia, nazywana hybrydową symulacją kwantową, pozwala na przełączanie się między tymi dwoma metodami w różnych etapach obliczeń. Proces rozpoczyna się od cyfrowej manipulacji kubitami, następnie przechodzi w fazę analogową, a na końcu wraca do cyfrowej symulacji, co pozwala na bardziej precyzyjną analizę wyników.

Dzięki temu naukowcy mogą badać skomplikowane systemy fizyczne, takie jak zachowanie materiałów w ekstremalnych temperaturach czy przepływ energii w różnych warunkach.

Pierwsze odkrycia dzięki nowej metodzie

Nowe podejście do symulacji kwantowej już przynosi pierwsze wyniki. Jednym z nich jest dokładniejsza analiza zachowania magnetów w niskich temperaturach oraz badanie mechanizmu Kibble’a-Zureka (KZM), który opisuje sposób powstawania defektów w materiałach. Co ciekawe, wyniki uzyskane przy pomocy nowej metody pokazały, że dotychczasowe przewidywania dotyczące tego zjawiska mogą być niepełne, co może prowadzić do odkrycia nowej fizyki.

Google przeprowadziło te eksperymenty na swoim procesorze kwantowym Sycamore, a kolejne testy planowane są z wykorzystaniem jeszcze bardziej zaawansowanego układu Willow. Jeśli potwierdzi on swoje możliwości, może to oznaczać, że era komputerów kwantowych zdolnych do rozwiązywania problemów niedostępnych dla klasycznych komputerów jest bliżej, niż sądziliśmy.

Czy komputery kwantowe wyprzedzą superkomputery?

Eksperci przewidują, że w ciągu najbliższych pięciu lat komputery kwantowe mogą znaleźć zastosowania w rzeczywistych problemach naukowych i przemysłowych. Choć niektórzy naukowcy twierdzą, że przełom ten nastąpi dopiero za 20 lat, Hartmut Neven, szef Google Quantum AI, pozostaje optymistą i twierdzi, że pierwsze praktyczne wykorzystanie komputerów kwantowych jest możliwe już w najbliższej dekadzie.

Sukces Google w 2019 roku, kiedy ich komputer kwantowy Sycamore rozwiązał zadanie w 200 sekund, podczas gdy klasyczny superkomputer potrzebowałby na to 10 000 lat, był tylko początkiem. Jeśli technologia hybrydowej symulacji kwantowej okaże się skuteczna, komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować nie tylko naukę, ale i całe gałęzie przemysłu.

Co to oznacza dla przyszłości?

Hybrydowa symulacja kwantowa to kolejny krok w kierunku budowy pełnoprawnych komputerów kwantowych, które będą w stanie rozwiązywać problemy niedostępne dla klasycznych maszyn. Możliwe korzyści obejmują:

• Szybsze odkrywanie nowych leków – symulacje kwantowe mogą przyspieszyć projektowanie cząsteczek leków poprzez dokładniejsze modelowanie ich interakcji na poziomie kwantowym.
• Lepsze baterie – optymalizacja materiałów stosowanych w akumulatorach może zwiększyć ich wydajność i trwałość.
• Nowe materiały – możliwość projektowania materiałów o niespotykanych dotąd właściwościach, przydatnych m.in. w elektronice i energetyce.

Chociaż na pełną rewolucję wciąż musimy poczekać, tempo rozwoju technologii kwantowej sugeruje, że jej praktyczne zastosowania mogą stać się rzeczywistością znacznie szybciej, niż jeszcze kilka lat temu sądzono.

Kwantowe jutro

Google dokonało istotnego przełomu w dziedzinie symulacji kwantowej, tworząc nową metodę łączącą cyfrowe i analogowe podejście do obliczeń. Dzięki tej technologii komputery kwantowe mogą zbliżyć się do praktycznych zastosowań szybciej, niż dotychczas przewidywano. Pierwsze eksperymenty wskazują, że nowa metoda może doprowadzić do odkrycia nowej fizyki i otworzyć drzwi do przełomowych odkryć w wielu dziedzinach. Przyszłość komputerów kwantowych może być bliżej, niż nam się wydaje.

źródło: thequantuminsider.com, gizmodo.com, livescience.com