Koristeći klasični računar i najsavremenije matematičke alate i kod, fizičari iz Centra za računarsku kvantnu fiziku Fondacije Simons i saradnici sa Bostonskog univerziteta riješili su veliki problem kvantne fizike za koji se ranije tvrdilo da ga mogu riješiti samo kvantni računari. Tehnika je toliko revolucionarna da su istraživači koristili čak i lični laptop za rješavanje problema.
Nova metodologija omogućava klasičnim računarima da izvuku znatno više snage za rješavanje kompleksnih problema, otvarajući nove puteve u istraživanju kvantne dinamike i optimizacijskih problema gdje se traži najbolje rješenje među ogromnim brojem mogućnosti.
Problem uključuje simulaciju kvantnog sistema od stotina kubita (kvantnih ekvivalenata bitova) u međusobnoj interakciji, raspoređenih u različite mrežne strukture. Dok klasični bitovi mogu biti 0 ili 1, kubiti mogu postojati u superpoziciji više stanja, što otežava simulaciju na klasičnim računarima.
U radu iz marta 2025. godine, istraživači kvantnog računarstva tvrdili su da su izračunali dinamiku posebno složenog kubitnog sistema pomoću kvantnog računara, uz tvrdnju da je to nemoguće za klasične kompjutere.
Zašto je teško simulirati mnogo kubita
Problem je posebno složen zbog kvantne spregnutosti (entanglement), gdje kubiti ostaju povezani bez obzira na udaljenost, pa se ne mogu posmatrati pojedinačno. To zahtijeva vrlo složene algoritme.
„Kada imate mnogo čestica u kvantnoj interakciji, imate talasnu funkciju koja opisuje stanje sistema. To je ogroman matematički objekat koji raste eksponencijalno sa brojem čestica“, navode istraživači.
Zbog toga se talasna funkcija ne može direktno pohraniti u računar, što predstavlja veliki problem u kvantnoj fizici, ali je ključno za predviđanje svojstava materijala poput superprovodnika.
Novi pristup: tenzorne mreže
Napredak je postignut razvojem metoda zasnovanih na tenzornim mrežama — vrstom matematičke „kompresije“ koja sažima kompleksne informacije u povezane strukture podataka.
Ove mreže omogućile su da se problem riješi na klasičnim računarima. Dio proračuna urađen je čak i na laptopu, koristeći softver ITensor, razvijen u Centru za računarsku kvantnu fiziku.
Simulacije uključuju i trodimenzionalne modele kvantne dinamike, što predstavlja posebno zahtjevan matematički izazov.
Povratak starijih algoritama
Neke simulacije koristile su algoritam iz 1980-ih poznat kao „propagacija vjerovanja“, prilagođen za kvantne sisteme.
Uprkos skromnom hardveru, rezultati su bili visoko precizni i poklapali su se s teorijskim predviđanjima, kao i s rezultatima kvantnih računara, ali bez potrebe za kvantnom mašinom.
Klasični i kvantni pristup zajedno
Istraživači ističu da između klasičnog i kvantnog računarstva postoji značajna sinergija.
„Dobra strana ovog poređenja je što postoji mnogo zajedničkih ideja između simulacija koje radimo i onoga što se pokušava izvesti na kvantnim računarima“, navode oni.
Istraživanja se sada šire i na još složenije sisteme, uključujući kretanje elektrona, što dodatno otežava simulacije i približava ih stvarnim kvantnim materijalima.