Майже століття тому фізик Ервін Шредінгер привернув увагу до дивини в квантовому світі, яка з тих пір захоплює і турбує дослідників. Коли квантові частинки, такі як атоми, взаємодіють, вони відмовляються від своєї індивідуальної ідентичності на користь колективного стану, більшого та дивнішого, ніж сума їхніх частин. Це явище називається заплутаністю.
Дослідники мають чітке розуміння того, як заплутаність працює в ідеальних системах лише з кількома частинками. Але реальний світ складніший. У великих групах атомів, як-от тих, з яких складаються речі, які ми бачимо й торкаємося, закони квантової фізики конкурують із законами термодинаміки, і все стає безладним.
При дуже низьких температурах заплутаність може поширюватися на великі відстані, охоплюючи багато атомів і призводячи до дивних явищ, таких як надпровідність. Але якщо температура підвищується, атоми тремтять, у результаті чого крихкі зв’язки, що утримують заплутані частинки, розриваються.
Фізики довго намагалися визначити деталі цього процесу. Тепер команда з чотирьох дослідників прийшла до такого висновку. Перевірено Обвиття не просто слабшає при підвищенні температури. Навпаки, у математичних моделях квантових систем, таких як масиви атомів у фізичних матеріалах, завжди існує певна температура, вище якої сплутаність повністю зникає. «Справа не тільки в тому, що він неймовірно малий, — каже він Анкур Мойтра з MIT, один з авторів нового відкриття. — Це нуль.
Раніше дослідники помітили натяки на таку поведінку і назвали це “Раптова смерть«Квантова заплутаність — це не просто виправдання. Але знайдені ними докази завжди були непрямими, навпаки, мають силу математичних доказів відсутності квантової заплутаності».
Як не дивно, четверо дослідників, які прийшли до нового результату, навіть не фізики, і їхньою метою не було нічого довести про заплутаність. Швидше, вони комп’ютерники, які натрапили на докази під час розробки нового алгоритму.
Незалежно від їхніх намірів, результати схвилювали дослідників у цій галузі. «Це дуже потужне твердження», — сказав один дослідник. Сонон Чой“, фізик з Массачусетського технологічного інституту. “Мені це дуже сподобалося”.
Знайдіть баланс
Команда зробила своє відкриття, досліджуючи теоретичні можливості майбутніх квантових комп’ютерів — машин, які використовуватимуть квантову поведінку, включаючи заплутаність і суперпозицію, для виконання певних обчислень набагато швидше, ніж класичні комп’ютери, які ми знаємо сьогодні.
Одним із найбільш перспективних застосувань квантових обчислень є вивчення самої квантової фізики. Припустімо, ви хочете зрозуміти поведінку квантової системи. Дослідникам спочатку потрібно розробити конкретні процедури або алгоритми, які квантові комп’ютери зможуть використовувати, щоб відповісти на ваші запитання.
Евен Танг зробив внесок у створення нового швидкого алгоритму для моделювання поведінки деяких квантових систем при високих температурах.
Але не на всі питання про квантові системи легко відповісти за допомогою квантових алгоритмів. Деякі з цих питань однаково легкі для класичних алгоритмів, що працюють на звичайних комп’ютерах, тоді як інші є складними як для класичних, так і для квантових алгоритмів.
Щоб зрозуміти, де квантові алгоритми та комп’ютери, які можуть їх запускати, можуть мати переваги, дослідники часто аналізують математичні моделі, які називаються спіновими системами, які фіксують фундаментальну поведінку масивів взаємодіючих атомів. Тоді вони можуть запитати: що буде робити система циркуляції, якщо залишити її в спокої при певній температурі? Стан, у якому він стабілізується, називається тепловою рівновагою, визначає багато інших його властивостей, тому дослідники давно прагнули розробити алгоритми для знаходження рівноважних станів.
Чи справді ці алгоритми виграють від кількісної природи, залежить від температури спінової системи, про яку йде мова. При дуже високих температурах відомі класичні алгоритми можуть легко виконати завдання. Проблема ускладнюється зі зниженням температури і зростанням сили квантових явищ. У деяких системах навіть для квантових комп’ютерів їх стає надзвичайно важко розв’язати за будь-який розумний проміжок часу. Але подробиці всього цього залишаються неясними.
«Коли ви йдете в простір, де вам потрібен квант, а коли ви йдете в простір, де квант вам навіть не допомагає?» Він сказав Евен Тан“Ми мало знаємо про це”, – сказав дослідник Каліфорнійського університету в Берклі та один з авторів нового відкриття.
У лютому Тан і Мойтра почали думати про проблему теплової рівноваги разом із двома іншими комп’ютерними вченими з MIT: докторантом на ім’я Айнеш Бакші Аспірант Мойтра Аллен ЛюУ 2023 році всі вони співпрацювали над Піонерський квантовий алгоритм Для іншої місії, що включає ротаційні системи, вони шукали новий виклик.
«Коли ми працюємо разом, усе йде гладко. Це було чудово», — сказав Бакші.
До свого прориву в 2023 році троє дослідників MIT ніколи не працювали над квантовими алгоритмами. Вони вивчали теорію навчання, підгалузь інформатики, яка зосереджена на алгоритмах, що використовуються в статистичному аналізі. Але, як і амбітні стартапи скрізь, вони вважали свою відносну наївність перевагою, способом побачити проблему новими очима. «Одна з наших сильних сторін полягає в тому, що ми мало знаємо про кванти, — каже Мойтра. — Єдина кванта, яку ми знаємо, — це кванта, якій навчив нас Юен».
Команда вирішила зосередитися на відносно високих температурах, оскільки дослідники підозрювали швидкі квантові алгоритми, хоча ніхто не зміг це довести. Незабаром вони знайшли спосіб адаптувати стару техніку теорії навчання в новий швидкий алгоритм. Але під час написання статті інша команда придумала, що ці алгоритми можуть бути корисними для вирішення цієї проблеми. Подібний результат: Підтвердження тому Перспективний алгоритм Продукти, розроблені минулого року, добре працювали б за вищих температур. Його зметено.
Раптова смерть перероджується
Тан і її товариші по команді були трохи розчаровані тим, що посіли друге місце, і почали з ними листуватися Альваро червонийАльгамбра, фізик з Інституту теоретичної фізики в Мадриді та один з авторів конкуруючої статті, хотів незалежно дізнатися про відмінності між своїми висновками. Але коли Альгамбра прочитав початкову чернетку доказів чотирьох дослідників, він був здивований, виявивши, що вони довели щось інше на проміжному етапі: у будь-якій спіновій системі в тепловій рівновазі заплутаність повністю зникає вище певної температури. «Я сказав їм: «О, це дуже, дуже важливо», — сказав Альгамбра.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
