State-of-the-art kwantumapparaten zijn nog niet groot genoeg om full-scale computers te worden genoemd. De grootste bestaan ​​uit slechts enkele tientallen qubits - een magere telling vergeleken met de miljarden bits in het geheugen van een gewone computer. Maar gestage vooruitgang betekent dat deze machines nu routinematig 10 of 20 qubits aan elkaar rijgen en binnenkort de scepter zwaaien over 100 of meer.

Ondertussen, onderzoekers zijn bezig met het bedenken van toepassingen voor kleine kwantumcomputers en het in kaart brengen van het landschap van problemen die ze kunnen oplossen. Een paper van onderzoekers van het Joint Quantum Institute (JQI) en het Joint Centre for Quantum Information and Computer Science (QuICS), onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , stelt dat een nieuw niet-kwantumperspectief kan helpen de grenzen van dit landschap te schetsen en mogelijk zelfs nieuwe fysica te onthullen in toekomstige experimenten.

Het nieuwe perspectief omvat een wiskundig hulpmiddel - een standaardmaat voor rekenmoeilijkheden die bekend staat als bemonsteringscomplexiteit - dat meet hoe gemakkelijk of moeilijk het is voor een gewone computer om de uitkomst van een kwantumexperiment te simuleren. Omdat de voorspellingen van de kwantumfysica probabilistisch zijn, een enkel experiment zou nooit kunnen verifiëren dat deze voorspellingen juist zijn. Je zou veel experimenten moeten doen, net zoals je een munt vele malen zou moeten opgooien om jezelf ervan te overtuigen dat je een alledaagse, onbevooroordeeld nikkel.

Als een gewone computer een redelijke hoeveelheid tijd nodig heeft om één run van een kwantumexperiment na te bootsen - door monsters te produceren met ongeveer dezelfde kansen als het echte werk - is de bemonsteringscomplexiteit laag; als het lang duurt, de bemonsteringscomplexiteit is hoog.

Weinigen verwachten dat kwantumcomputers met veel qubits een lage bemonsteringscomplexiteit zullen hebben - per slot van rekening kwantumcomputers zullen naar verwachting krachtiger zijn dan gewone computers, dus het simuleren ervan op uw laptop zou moeilijk moeten zijn. Maar hoewel de kracht van kwantumcomputers onbewezen blijft, het verkennen van de overgang van lage complexiteit naar hoge complexiteit zou nieuwe inzichten kunnen bieden over de mogelijkheden van vroege kwantumapparaten, zegt Alexey Gorshkov, een JQI en QuICS Fellow die co-auteur is van het nieuwe artikel.

"Sampling-complexiteit is een ondergewaardeerd hulpmiddel gebleven, "Gorsjkov zegt, grotendeels omdat kleine kwantumapparaten pas sinds kort betrouwbaar zijn. "Deze apparaten doen nu in wezen kwantumbemonstering, en het simuleren hiervan vormt de kern van ons hele vakgebied."

Om het nut van deze aanpak aan te tonen, Gorshkov en verschillende medewerkers bewezen dat de complexiteit van bemonstering de gemakkelijk-naar-moeilijke overgang volgt van een taak die kleine en middelgrote kwantumcomputers naar verwachting sneller zullen uitvoeren dan gewone computers:boson-bemonstering.

Bosonen zijn een van de twee families van fundamentele deeltjes (de andere zijn fermionen). In het algemeen kunnen twee bosonen met elkaar interageren, maar dat is niet het geval voor het boson-bemonsteringsprobleem. "Ook al hebben ze geen interactie in dit probleem, bosonen zijn net interessant genoeg om het bestuderen van bosonen de moeite waard te maken, " zegt Abhinav Deshpande, een afgestudeerde student bij JQI en QuICS en de hoofdauteur van het artikel.

In het boson sampling probleem, een vast aantal identieke deeltjes mag rondspringen op een rooster, verspreidt zich in kwantumsuperposities over vele rasterlocaties. Het probleem oplossen betekent bemonstering van deze uitgesmeerde kwantumwaarschijnlijkheidswolk, iets waar een kwantumcomputer geen moeite mee zou hebben.

Deshpande, Gorshkov en hun collega's bewezen dat er een scherpe overgang is tussen hoe gemakkelijk en moeilijk het is om bosonbemonstering op een gewone computer te simuleren. Als je begint met een paar goed gescheiden bosonen en ze maar kort laat rondhuppelen, de bemonsteringscomplexiteit blijft laag en het probleem is eenvoudig te simuleren. Maar als je langer wacht, een gewone computer heeft geen kans om het kwantumgedrag vast te leggen, en het probleem wordt moeilijk te simuleren.

Het resultaat is intuïtief, Deshpande zegt, omdat de bosonen op korte termijn nog relatief dicht bij hun startposities zijn en niet veel van hun "kwantumiteit" is ontstaan. Voor langere tijd, Hoewel, er is een explosie van mogelijkheden waar een bepaald boson terecht kan komen. En omdat het onmogelijk is om twee identieke bosonen van elkaar te onderscheiden, hoe langer je ze laat rondhuppelen, hoe groter de kans dat ze stilletjes van plaats wisselen en de kwantumwaarschijnlijkheden verder compliceren. Op deze manier, de dramatische verschuiving in de complexiteit van de bemonstering houdt verband met een verandering in de fysica:dingen worden niet te moeilijk totdat bosonen ver genoeg springen om van plaats te wisselen.

Gorshkov zegt dat het zoeken naar dergelijke veranderingen in de complexiteit van bemonstering kan helpen bij het ontdekken van fysieke overgangen in andere kwantumtaken of experimenten. Omgekeerd, een gebrek aan toenemende complexiteit kan een kwantumvoordeel uitsluiten voor apparaten die te foutgevoelig zijn. Hoe dan ook, Gorshkov zegt, toekomstige resultaten die voortvloeien uit deze perspectiefverschuiving zouden interessant moeten zijn. "Een diepere blik op het gebruik van de bemonsteringscomplexiteitstheorie van de informatica om de kwantumfysica met veel lichamen te bestuderen, zal ons zeker iets nieuws en opwindends leren over beide velden, " hij zegt.