Computermodellen van systemen zoals de verkeersstroom van een stad of neurale activering in de hersenen hebben de neiging om veel geheugen in beslag te nemen. Maar een nieuwe benadering met kwantumsimulators zou dat geheugengebruik aanzienlijk kunnen verminderen door een kwantumbenadering van tijd te volgen. De enige kostenpost is een verminderd record van het verleden.

De suggestie komt van onderzoekers Mile Gu en Thomas Elliott in Singapore, die hun voorstel beschrijven in een paper gepubliceerd op 1 maart in npj Quantum-informatie . Gu werkt bij het Center for Quantum Technologies en de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore, en Elliott is bij NTU.

Om een ​​simulatie uit te voeren, een klassieke computer moet de tijd in discrete stappen verdelen. Gu trekt analogie met een oude manier om tijd te meten:de zandloper. "Zoom in op een zandloper en je ziet de afzonderlijke zandkorrels één voor één vallen. Het is een korrelige stroom, " zegt Gu.

Net zoals de zandloper fijner zand nodig heeft om de tijd nauwkeuriger te kunnen meten, een computer heeft fijnere tijdstappen nodig om nauwkeurigere simulaties te maken. In feite, het ideaal zou zijn om de tijd continu te simuleren omdat, naar onze beste waarnemingen, tijd lijkt continu te zijn. Maar dat impliceert dat een echt nauwkeurige klassieke simulatie oneindig veel geheugen nodig zou hebben om zo'n programma uit te voeren.

Hoewel dat onmogelijk is met een klassieke computer, kwantumeffecten bieden een work-around. "Met een kwantumsimulator, u kunt de afweging tussen precisie en opslag vermijden die u moet ondergaan met een klassiek apparaat, " legt Elliot uit.

Om uit te leggen hoe het werkt, stel je voor dat je een bus moet halen. Als je net op tijd bij de halte bent om een ​​bus te zien vertrekken, je verwacht nu dat de volgende bus er langer over doet dan wanneer je er niet net een had zien vertrekken. Dat komt omdat de kans dat er een bus komt niet altijd constant is, maar hangt af van hoe lang het geleden is sinds de laatste bus.

Om vergelijkbare processen te simuleren waarbij de kans in de loop van de tijd verandert, een gewone computer berekent de resultaten op vaste tijdsintervallen. Het zou kunnen, bijvoorbeeld, verdeel de kansen voor busaankomsttijden in intervallen van 30 seconden, het bijwerken van die kansen na elk interval, afhankelijk van of een bus arriveerde (of niet). Om preciezer te zijn over wanneer een bus komt, of om nauwkeuriger te modelleren, meer gecompliceerde verkeersnetwerken, heeft kleinere tijdstappen nodig en dus meer geheugen.

In deze klassieke benadering men maakt voorspellingen door te tellen hoeveel tijd is verstreken sinds de vorige bus. Dit lijkt logisch, en het blijkt de beste klassieke methode te zijn. Kwantumfysica, echter, maakt een geheel andere benadering mogelijk.

Een kwantumsimulator kan zich tegelijkertijd in veel verschillende toestanden bevinden, elk met zijn eigen kans om gerealiseerd te worden. Dit is een fenomeen dat bekend staat als kwantumsuperpositie. Het voorstel van Gu en Elliott is om de tijdelijke kansverdeling voor de gebeurtenis die ze willen simuleren te coderen in de waarschijnlijkheidsweging van de verschillende toestanden. Als de superpositie wordt gecreëerd in een eigenschap zoals de positie van een deeltje, die zelf voortdurend kan evolueren, de tijd kan dan ook continu worden gevolgd. Het is dus mogelijk om wat informatie over de verstreken tijd weg te gooien - waardoor een superieure geheugenefficiëntie wordt bereikt - zonder concessies te doen aan de voorspellende nauwkeurigheid.

De winst gaat wel ten koste van het verlies van kennis over het verleden. De verstreken tijd - een record van het verleden, met andere woorden - kan niet precies worden hersteld van de superpositie, maar alle voorspellingsvermogen blijft toch behouden.

"Uiteindelijk, bij het maken van voorspellingen maakt het ons niet uit wat we al hebben gezien. Liever, we geven alleen om wat deze observaties ons vertellen over wat we verwachten te zien. De kwantumfysica stelt ons in staat om deze informatie efficiënt te isoleren", zegt Elliott.