Многие сложные проблемы трудно и медленно решить с помощью обычных компьютеров, и за последние несколько лет исследования неуклонно росли в направлении развития квантовых вычислений. В частности, проблемы оптимизации, такие как задача «коммивояжера», которая вычисляет кратчайший возможный маршрут, необходимый для посещения набора городов, становятся трудноразрешимыми по мере роста количества городов.Квантовый компьютер будет использовать эффекты на атомном и молекулярном уровнях, чтобы решать такие проблемы значительно быстрее, чем обычные компьютеры.
Недавно стало доступно первое поколение специализированных компьютеров — с новой архитектурой, использующей квантовую механику для решения задач, подобных проблеме коммивояжера, в нескольких сотнях городов.В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда из Института Джеймса Франка в Калифорнийском университете в Чикаго и Лондонского центра нанотехнологий в Университетском колледже Лондона описывает эксперимент, который был проведен на кристалле, содержащем триллионы, а не сотни кристаллов. квантово-механические спины, которые воспроизводят некоторые особенности нынешнего поколения гораздо меньших специализированных компьютеров.Ведущий автор — Майкл Шмидт, доктор философии’12, ныне научный сотрудник Intel в Портленде.
Его соавторы — Дэниел Силевич, научный сотрудник Института Джеймса Франка; Томас Розенбаум, почетный профессор физики имени Джона Т. Уилсона; и профессор Габриэль Эппли из Университетского колледжа Лондона.Кристаллический квантовый магнит, используемый для проведения этого эксперимента, содержит атомы, чьи спины (магнитная ориентация) колеблются.
Термический отжиг и квантовый отжиг — это процессы, с помощью которых исследователи управляли магнитными спинами в этом экспериментальном магнитном кристалле. Многие типы магнитных материалов могут ориентировать спины в любом направлении, но этот специальный кристалл ограничивает ориентацию либо вверх, либо вниз.Квантовый отжиг относится к квантовому туннелированию, явлению, которое позволяет частицам проходить через барьеры посредством взаимодействий, которые ньютоновская физика не может предсказать. «Если вы запустите систему в режиме, при котором квантовое туннелирование полностью отключено, то вы получите одно решение вашей проблемы и другое решение, когда квантовое туннелирование включено», — сказал Силевич.
В этом магнитном кристалле при температурах, близких к абсолютному нулю (минус 459,67 градусов по Фаренгейту), скоростью и силой термического отжига можно управлять с помощью стержней из сапфира, прикрепленных к холодильнику через более или менее контакт с кристаллом. В то же время скоростью квантового отжига можно управлять с помощью магнитного поля, которое задает скорость квантового туннелирования в магнитном образце.
Термический отжиг можно отключить только путем охлаждения системы, но его нельзя отключить. Но если система работает в режиме, в котором термический отжиг снижен, а квантовый отжиг включен, результатом будет другое состояние магнитных спинов, которое представляет собой другое решение вычислительной проблемы.
Компьютер специального назначения решает такие задачи, как задача коммивояжера в полуабстрактном ландшафте, где высота и глубина объектов представляют собой общее пройденное расстояние. Лучшее решение соответствует самой глубокой долине.Поиск самой глубокой долины можно представить себе как бассейн с водой, движущийся между долинами, либо через волны, плещущиеся по промежуточным седловым точкам и затем спускающиеся, либо через квантовое туннелирование между долинами.Первый подход представляет собой термический отжиг, который сравним с традиционными вычислительными методами.
Второй соответствует квантовому отжигу, характеристике потенциально более мощных квантовых вычислений.Термический отжиг достигает конечного состояния или решения проблемы, перепрыгивая через энергетические барьеры, а затем постепенно ограничивая размер барьера, который он может преодолеть, понижая температуру. Квантовый отжиг, напротив, достигает конечного состояния посредством квантового туннелирования через барьеры, а затем постепенно снижает (и в конечном итоге отключает) скорость туннелирования.При термическом отжиге «волны» плещутся взад и вперед, и, если они достигают достаточной высоты, они плещутся по холму, а затем стекают в соседнюю долину.
Высокотемпературный термический отжиг соответствует сильному всплеску воды, что означает, что он может преодолевать высокие барьеры. По мере того как исследователи постепенно теряют силу волн, вода может подниматься только на холмы среднего размера.
При дальнейшем охлаждении системы волны могут захлестнуть только мухи слона.Однако при термическом отжиге возникает проблема, когда чашеобразная долина находится рядом с более глубоким и узким колодцем.
В этой ситуации большая часть плещущейся воды окажется на дне долины. Вода, естественно, стремится к самому низкому уровню, но по мере того, как температура падает, а высота волн уменьшается, вход в колодец становится недоступным.
Квантовый отжиг позволяет воде проходить через холм посредством процесса квантового туннелирования.«Если у вас есть эта чаша, а рядом с ней есть действительно глубокий колодец, шансы попасть из чаши в колодец в результате термического отжига очень, очень малы», — пояснил Силевич. «Вы должны подождать, пока не захлестнет произвольно большая волна.
Но с помощью квантового отжига вы можете пройти прямо через холм и найти тот глубокий колодец, в котором вы предпочитаете находиться».Эксперименты показали, что когда система достигла своей конечной долины только за счет термического отжига, это резко отличалось от состояния, достигнутого при ослаблении термического отжига и включении квантового отжига.После применения квантового отжига определенные области кристалла находились в «состояниях квантовой суперпозиции», которые могут одновременно существовать в двух разных состояниях согласно противоречащим интуиции правилам квантовой физики.
Другие области обладают характеристиками, типичными для физики, преобладающей на макроскопических масштабах. Термический отжиг в этих экспериментах оставляет после себя области исключительно последней разновидности.Применительно к практическим и программируемым компьютерам квантовой оптимизации результаты предполагают, что квантовые оптимизаторы могут получать различные решения таких проблем, как задача коммивояжера, по сравнению с традиционными методами.
Исследовательская группа пришла к выводу, что эти результаты повлияют как на разработку, так и на использование систем квантовой оптимизации.