Классический компьютер превзошел квантовый в его собственной задаче

Ученые Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) при Институте Флэтайрон выяснили, почему классическому компьютеру удалось превзойти квантовый в выполнении задачи, ранее считавшейся доступной лишь квантовым системам. В своей статье, опубликованной в Physical Review Letters, ученые объясняют это поведением, известным как конфайнмент, ранее наблюдавшимся только в одномерных квантовых системах.

В ходе исследования ученые изучили двумерную квантовую систему переворачивающихся магнитов и обнаружили, что наличие конфайнмента сдерживало рост запутанности в системе, что и сделало задачу решаемой на классическом компьютере. По словам авторов, это открытие помогает лучше определить границу между возможностями классических и квантовых компьютеров, которая до сих пор оставалась размытой.

В квантовых масштабах отдельный магнит может быть ориентирован вверх или вниз, или он может находиться в суперпозиции — квантовом состоянии, в котором он одновременно указывает вверх и вниз. То, насколько вверх или вниз направлен магнит, влияет на то, сколько энергии он имеет, когда находится в магнитном поле. В первоначальной настройке системы все магниты были направлены в одном направлении. Затем система была возмущена небольшим магнитным полем, заставив некоторые магниты перевернуться, что также побудило соседние магниты перевернуться.

Такое поведение — когда магниты влияют на переворачивание друг друга — может привести к запутыванию, то есть связыванию суперпозиций магнитов. Со временем возросшая запутанность системы затрудняет моделирование на классическом компьютере. Однако в закрытой системе имеется ограниченное количество энергии, что ограничивает масштаб запутанности. Было показано, что энергии достаточно для того, чтобы перевернуть небольшие, изолированные кластеры магнитов, что ограничивало запутанность. Это явление, названное конфайнментом, объясняет, почему классический компьютер смог выполнить задачу.

Исследование продемонстрировало, что в двумерных квантовых системах с замкнутой геометрией возможен конфайнмент, аналогичный явлению, наблюдаемому в одномерных системах. Это значительно упрощает математическое описание системы и делает ее доступной для классических вычислений. Авторы также разработали точную математическую модель, описывающую это поведение.

Таким образом, математическая модель конфайнмента может быть применима к ряду других двумерных квантовых систем. Она не только помогает глубже понять квантовые процессы в таких системах, но и предоставляет ученым полезный инструмент для анализа и разработки новых симуляций, которые позволят исследовать границы возможностей квантовых и классических компьютеров.