(Phys.org)—I ricercatori hanno introdotto un nuovo problema informatico e hanno dimostrato che sarebbe estremamente difficile, se non impossibile, per un computer classico da risolvere, ma in teoria potrebbe essere efficacemente risolto usando tecniche quantistiche. Il problema, che si chiama campionamento bosonico gaussiano, è una nuova versione del campionamento bosonico, che è un problema di calcolo simile che è stato introdotto alcuni anni fa con l'obiettivo di dimostrare i potenziali vantaggi dei computer quantistici rispetto a quelli classici.

I ricercatori del nuovo studio, Craig S. Hamilton e altri, dall'Università tecnica ceca di Praga e dall'Università di Paderborn in Germania, hanno pubblicato un articolo sul campionamento dei bosoni gaussiani in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Globale, il problema del campionamento dei bosoni gaussiano è molto simile al problema del campionamento dei bosoni originale, che è stato proposto nel 2011 da Scott Aaronson e Alex Arkhipov. In entrambi i problemi, il compito è trovare la probabilità di misurare determinati modelli di fotoni che emergono da un sistema ottico, data una certa configurazione di ingresso di fotoni. Nella teoria della complessità, si ipotizza che il campionamento dei bosoni sia un problema #P-hard, il che rende estremamente improbabile che possa essere risolto da un computer classico.

Sebbene attualmente non esista alcun computer quantistico in grado di risolvere il problema del campionamento dei bosoni, diversi gruppi di ricerca hanno tentato di implementare e risolvere il problema utilizzando esperimenti ottici quantistici. Una delle maggiori sfide per questi esperimenti è la generazione di un gran numero di singoli fotoni. Poiché attualmente non sono disponibili sorgenti perfettamente deterministiche di singoli fotoni, tutti gli esperimenti eseguiti finora hanno utilizzato sorgenti di fotoni probabilistiche piuttosto che deterministiche.

Lo svantaggio dell'utilizzo di sorgenti di fotoni probabilistiche è che il costo della generazione dei fotoni aumenta in modo esponenziale all'aumentare del numero di fotoni. Finora, il maggior numero di fotoni utilizzati è cinque, il che non è sufficiente per dimostrare in modo conclusivo il vantaggio dell'utilizzo dei computer quantistici. (Sottolineando ulteriormente la difficoltà di dimostrare un vantaggio quantico in quest'area, uno studio recente ha dimostrato che i computer classici possono simulare il problema del campionamento dei bosoni utilizzando 30 fotoni, suggerendo che i metodi quantistici hanno più da dimostrare di quanto si pensasse in precedenza.)

Nel tentativo di rendere più facile ottenere un numero maggiore di fotoni negli esperimenti di campionamento dei bosoni, i ricercatori nel nuovo studio hanno esaminato specificamente il campionamento dei bosoni utilizzando gli stati gaussiani. Sebbene gli stati gaussiani siano già stati utilizzati esperimenti, la loro natura gaussiana non è mai stata studiata in modo specifico. Questi stati hanno il vantaggio di essere meno costosi da produrre negli esperimenti.

"Il singolo più grande vantaggio del nostro protocollo è la capacità di utilizzare più fotoni generati dai nostri stati di input, " Hamilton ha detto a Phys.org. "Questo significa, se il numero di fotoni è il principale ostacolo per gli sperimentali, dovrebbe essere più facile dimostrare un vantaggio quantistico usando gli stati gaussiani".

Uno dei principali risultati del nuovo studio è che, pur essendo più facile da implementare sperimentalmente, Il campionamento del bosone gaussiano è ancora un problema #P-hard e quindi, come il campionamento dei bosoni, ha anche il potenziale per fungere da piattaforma che illustra i vantaggi dell'informatica quantistica. Nello specifico, i ricercatori mostrano che il campionamento del bosone gaussiano è correlato a una funzione di matrice chiamata hafniano, un problema così difficile che attualmente nessun computer classico può approssimare in modo efficiente una soluzione.

Globale, i risultati suggeriscono che il campionamento bosonico gaussiano può avere diversi vantaggi sperimentali e teorici rispetto al campionamento bosonico generale, e probabilmente fornirà ai ricercatori un altro strumento per studiare dove tracciare il confine tra l'informatica quantistica e quella classica.

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