Een team van onderzoekers uit het VK en Rusland heeft met succes aangetoond dat een soort 'magisch stof' dat licht en materie combineert, kan worden gebruikt om complexe problemen op te lossen en uiteindelijk de mogelijkheden van zelfs de krachtigste supercomputers zou kunnen overtreffen.

De onderzoekers, uit Cambridge, Southampton en Cardiff Universities in het VK en het Skolkovo Institute of Science and Technology in Rusland, hebben kwantumdeeltjes gebruikt die bekend staan ​​als polaritonen - die half licht en half materie zijn - om te fungeren als een soort 'baken' dat de weg wijst naar de eenvoudigste oplossing voor complexe problemen. Dit geheel nieuwe ontwerp zou de basis kunnen vormen van een nieuw type computer dat problemen kan oplossen die momenteel onoplosbaar zijn, op verschillende gebieden, zoals biologie, financiën of ruimtevaart. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Onze technologische vooruitgang - van het modelleren van eiwitvouwing en het gedrag van financiële markten tot het bedenken van nieuwe materialen en het sturen van volledig geautomatiseerde missies naar de verre ruimte - hangt af van ons vermogen om de optimale oplossing te vinden van een wiskundige formulering van een probleem:het absolute minimum aantal stappen dat nodig is om dat probleem op te lossen.

Het zoeken naar een optimale oplossing is analoog aan het zoeken naar het laagste punt in een bergachtig terrein met veel dalen, loopgraven, en druppels. Een wandelaar kan bergafwaarts gaan en denken dat hij het laagste punt van het hele landschap heeft bereikt, maar er kan een diepere daling zijn net achter de volgende berg. Zo'n zoektocht lijkt misschien ontmoedigend in natuurlijk terrein, maar stel je de complexiteit ervan voor in een hoogdimensionale ruimte. "Dit is precies het probleem dat moet worden aangepakt wanneer de objectieve functie om te minimaliseren een reëel probleem vertegenwoordigt met veel onbekenden, parameters, en beperkingen, " zei professor Natalia Berloff van Cambridge's Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics en het Skolkovo Institute of Science and Technology, en de eerste auteur van het papier.

Moderne supercomputers kunnen slechts met een kleine subset van dergelijke problemen omgaan wanneer de dimensie van de te minimaliseren functie klein is of wanneer de onderliggende structuur van het probleem het mogelijk maakt om snel de optimale oplossing te vinden, zelfs voor een functie met een grote dimensionaliteit. Zelfs een hypothetische kwantumcomputer, indien gerealiseerd, biedt op zijn best de kwadratische versnelling voor de "brute-force" zoektocht naar het globale minimum.

Berloff en haar collega's benaderden het probleem vanuit een onverwachte hoek:wat als in plaats van langs het bergachtige terrein te gaan op zoek naar het laagste punt, men vult het landschap met een magisch stof dat alleen op het diepste niveau schijnt, een gemakkelijk detecteerbare marker van de oplossing worden?

"Een paar jaar geleden werd ons puur theoretische voorstel om dit te doen verworpen door drie wetenschappelijke tijdschriften, "zei Berloff. "Een scheidsrechter zei:'Wie zou er gek genoeg zijn om dit te proberen?!' Dus moesten we het zelf doen, en nu hebben we ons voorstel bewezen met experimentele gegevens."

Hun 'magische stof'-polaritonen worden gecreëerd door een laser te laten schijnen op gestapelde lagen van geselecteerde atomen zoals gallium, arseen, indium, en aluminium. De elektronen in deze lagen absorberen en zenden licht van een bepaalde kleur uit. Polaritonen zijn tienduizend keer lichter dan elektronen en kunnen voldoende dichtheden bereiken om een ​​nieuwe staat van materie te vormen die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat, waar de kwantumfasen van polaritonen synchroniseren en een enkel macroscopisch kwantumobject creëren dat kan worden gedetecteerd door middel van fotoluminescentiemetingen.

De volgende vraag die de onderzoekers moesten beantwoorden, was hoe een potentieel landschap te creëren dat overeenkomt met de functie die moet worden geminimaliseerd en hoe polaritonen op het laagste punt te condenseren. Om dit te doen, de groep concentreerde zich op een bepaald type optimalisatieprobleem, maar een type dat algemeen genoeg is zodat elk ander moeilijk probleem ermee te maken kan hebben, namelijk minimalisering van het XY-model dat een van de meest fundamentele modellen van statistische mechanica is. De auteurs hebben aangetoond dat ze polaritons kunnen creëren op hoekpunten van een willekeurige grafiek:als polaritonen condenseren, de kwantumfasen van polaritonen rangschikken zich in een configuratie die overeenkomt met het absolute minimum van de objectieve functie.

"We staan ​​nog maar aan het begin van het verkennen van het potentieel van polaritongrafieken voor het oplossen van complexe problemen, " zei co-auteur professor Pavlos Lagoudakis, Hoofd van het Hybrid Photonics Lab aan de Universiteit van Southampton en het Skolkovo Institute of Science and Technology, waar de experimenten werden uitgevoerd. "We zijn momenteel ons apparaat aan het opschalen naar honderden nodes, terwijl het zijn fundamentele rekenkracht test. Het uiteindelijke doel is een microchip-quantumsimulator die werkt onder omgevingsomstandigheden."