Wetenschap
Simulaties vooruit helpen met kwantumcomputing
Hoewel ‘gekoppelde oscillaties’ misschien niet bekend in de oren klinken, zijn ze overal in de natuur aanwezig. De term 'gekoppelde harmonische oscillatoren' beschrijft op elkaar inwerkende systemen van massa's en veren, maar hun bruikbaarheid in de wetenschap en techniek houdt daar niet op. Ze beschrijven mechanische systemen zoals bruggen, de verbindingen tussen atomen en zelfs zwaartekrachtgetijdeneffecten tussen de aarde en de maan. Door dergelijke problemen te begrijpen, kunnen we een overeenkomstig enorm scala aan systemen onderzoeken, van scheikunde tot techniek tot materiaalkunde en daarbuiten.
Klassiek weergegeven door een kogel- en veermodel, worden gekoppelde oscillerende systemen steeds complexer naarmate er meer oscillatoren worden toegevoegd. Met een nieuw kwantumalgoritme dat gedeeltelijk is ontwikkeld door de mede-aangestelde van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en professor Nathan Wiebe van de Universiteit van Toronto, is het simuleren van dergelijke complexe gekoppelde oscillatorsystemen nu sneller en efficiënter. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review X .
In samenwerking met onderzoekers van Google Quantum AI en Macquarie University in Sydney, Australië, ontwikkelde Wiebe een algoritme voor het simuleren van systemen van gekoppelde massa's en veren op kwantumcomputers. De onderzoekers leverden vervolgens bewijs van het exponentiële voordeel van het nieuwe algoritme ten opzichte van klassieke algoritmen.
Deze versnelling werd mogelijk gemaakt door de dynamiek van de gekoppelde oscillatoren in kaart te brengen met een Schrödingervergelijking – de kwantumtegenhanger van een klassieke Newtoniaanse vergelijking. Van daaruit zou het systeem kunnen worden gesimuleerd met behulp van Hamiltoniaanse methoden.
In wezen stelt deze aanpak wetenschappers in staat de dynamiek van gekoppelde oscillatoren uit te drukken met behulp van veel minder kwantumbits dan traditionele methoden. Onderzoekers kunnen het systeem vervolgens simuleren met exponentieel minder bewerkingen.
Misschien wel het meest intrigerende aspect van hun werk komt voort uit de vraag of dit algoritme inderdaad een exponentiële versnelling biedt ten opzichte van alle mogelijke gewone algoritmen. Ten eerste lieten de auteurs zien dat dit algoritme twee kanten op werkt:dat gekoppelde harmonische oscillatoren kunnen worden gebruikt om een willekeurige kwantumcomputer te simuleren.
Dit betekent dat op een hoog niveau zeer grote systemen van op elkaar inwerkende massa's en veren een rekenkracht kunnen bevatten die vergelijkbaar is met die van een kwantumcomputer.
Ten tweede hielden de auteurs rekening met de theoretische beperkingen rond het berekenen van deze dynamiek. Als er een manier zou bestaan om deze dynamiek in polynomiale tijd op bestaande computers te simuleren, dan zouden onderzoekers een snellere methode kunnen construeren voor het simuleren van kwantumcomputers. Dit zou echter bewijzen dat kwantumcomputers in wezen niet krachtiger zijn dan klassieke computers.
Uit het door de jaren heen verzamelde bewijsmateriaal blijkt dat het uitzonderlijk onwaarschijnlijk is dat klassieke computers kwalitatief even krachtig zijn als kwantumcomputers. Dit werk levert dus een overtuigend argument dat dit algoritme een exponentiële versnelling mogelijk maakt, evenals een duidelijke demonstratie van een nieuw en subtiel verband tussen de kwantumdynamica en de eenvoudige harmonische oscillator.
"Er zijn zeer weinig nieuwe klassen van aantoonbare exponentiële versnellingen van klassieke berekeningen ontwikkeld", zegt Wiebe. "Ons werk biedt een aanzienlijk rekenvoordeel voor een breed scala aan problemen op het gebied van techniek, neurowetenschappen en scheikunde."