Квантовые вычисления, долгое время считавшиеся научной фантастикой, в настоящее время находятся в центре исследований многих компаний и лабораторий. В Google команда под руководством Райана Баббуша недавно разработала алгоритм, который переводит классические физические задачи так, чтобы их могли обрабатывать квантовые компьютеры.

Одна из ключевых особенностей этого алгоритма заключается в том, что он ускоряет динамику определенных классических систем на квантовом компьютере. Другими словами, некоторые вычисления, которые требуют чрезвычайно много времени для выполнения на классическом компьютере, могут быть выполнены гораздо быстрее на квантовом компьютере. «Существует важный класс классических систем, динамика моделирования которых на квантовом компьютере может быть ускорена экспоненциально«, — говорит один из исследователей. Исследование представлено в журнале Physical Review X.

Преобразование физических задач в квантовый формат

Новый алгоритм работает путем реструктуризации классических физических задач таким образом, чтобы они соответствовали формату, который может быть понят и эффективно обработан квантовыми компьютерами. Для этого Баббуш и его команда сосредоточились на системе шаров, соединенных пружинами — модели, которая позволяет упрощенно представить поведение сложных физических систем.

Эта модель может быть использована для описания различных явлений, таких как динамика материалов под напряжением или движение частиц. В этой конфигурации шарики представляют собой массы или объекты, а пружины — силы, действующие между ними. Закон Гука, который описывает силу, необходимую для растяжения или сжатия пружины, часто используется в моделях такого типа.

Баббуш и его команда обнаружили, что математические уравнения, описывающие эти классические системы шаров и пружин, могут быть переведены или переформулированы на язык квантовой механики. Их метод использует специфическую форму уравнения Шрёдингера, фундаментального уравнения квантовой физики. Таким образом, им удалось найти соответствие между классическими моделями и квантовыми концепциями. Преобразование заключается в переформулировании параметров классической физики и выражении их в виде кубитов.

Гибкий алгоритм

Баббуш отмечает, что многие физические задачи, в том числе связанные с волновыми явлениями, могут быть описаны с помощью конфигурации шаров и пружин (о которой говорилось ранее). Поэтому эта модель применима не только к простым механическим ситуациям, но и к более сложным системам. В качестве примера он приводит карты нейронной активности (которые представляют собой электрическую активность в мозге) и отражение света от поверхности. Это означает, что существует широкий спектр проблем, которые могут быть преобразованы для обработки в квантовой области.

С точки зрения эффективности, алгоритм будет способен справиться с набором задач, относящихся к так называемому классу «P». В контексте теории сложности вычислений к классу P относятся задачи, которые могут быть быстро решены квантовыми компьютерами.