I dispositivi quantistici all'avanguardia non sono ancora abbastanza grandi per essere chiamati computer a grandezza naturale. I più grandi comprendono solo poche dozzine di qubit, un numero esiguo rispetto ai miliardi di bit nella memoria di un normale computer. Ma un progresso costante significa che queste macchine ora mettono insieme regolarmente 10 o 20 qubit e potrebbero presto dominare oltre 100 o più.

Intanto, i ricercatori sono impegnati a inventare usi per piccoli computer quantistici e a mappare il panorama dei problemi che saranno adatti a risolvere. Un documento di ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI) e del Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), pubblicato di recente in Lettere di revisione fisica , sostiene che una nuova prospettiva non quantistica può aiutare a delineare i confini di questo paesaggio e potenzialmente persino rivelare nuova fisica in esperimenti futuri.

La nuova prospettiva prevede uno strumento matematico, una misura standard della difficoltà computazionale nota come complessità di campionamento, che misura quanto sia facile o difficile per un normale computer simulare il risultato di un esperimento quantistico. Poiché le previsioni della fisica quantistica sono probabilistiche, un singolo esperimento non potrebbe mai verificare che queste previsioni siano accurate. Avresti bisogno di eseguire molti esperimenti, proprio come avresti bisogno di lanciare una moneta molte volte per convincerti che hai in mano un quotidiano, nichel imparziale.

Se un computer ordinario impiega un ragionevole lasso di tempo per simulare un'esecuzione di un esperimento quantistico, producendo campioni con approssimativamente le stesse probabilità dell'oggetto reale, la complessità del campionamento è bassa; se ci vuole molto tempo, la complessità del campionamento è elevata.

Pochi si aspettano che i computer quantistici che maneggiano molti qubit abbiano una bassa complessità di campionamento, dopo tutto, I computer quantistici dovrebbero essere più potenti dei normali computer, quindi simularli sul tuo laptop dovrebbe essere difficile. Ma mentre la potenza dei computer quantistici rimane non dimostrata, esplorare il passaggio dalla bassa complessità all'alta complessità potrebbe offrire nuove intuizioni sulle capacità dei primi dispositivi quantistici, dice Alexey Gorshkov, un JQI e QuICS Fellow che è coautore del nuovo documento.

"La complessità del campionamento è rimasta uno strumento sottovalutato, "Gorshkov dice, in gran parte perché i piccoli dispositivi quantistici sono diventati affidabili solo di recente. "Questi dispositivi ora eseguono essenzialmente il campionamento quantistico, e simulare questo è al centro di tutto il nostro campo."

Per dimostrare l'utilità di questo approccio, Gorshkov e diversi collaboratori hanno dimostrato che la complessità del campionamento tiene traccia della transizione da facile a difficile di un compito che i computer quantistici di piccole e medie dimensioni dovrebbero eseguire più velocemente dei normali computer:il campionamento dei bosoni.

I bosoni sono una delle due famiglie di particelle fondamentali (l'altra sono i fermioni). In generale due bosoni possono interagire tra loro, ma questo non è il caso del problema del campionamento dei bosoni. "Anche se non interagiscono in questo problema, i bosoni sono abbastanza interessanti da rendere il campionamento dei bosoni degno di essere studiato, "dice Abhinav Deshpande, uno studente laureato presso JQI e QuICS e l'autore principale del documento.

Nel problema del campionamento dei bosoni, un numero fisso di particelle identiche può saltellare su una griglia, diffondendosi in sovrapposizioni quantistiche su molti siti della griglia. Risolvere il problema significa campionare da questa nuvola di probabilità quantistica sbiadita, qualcosa che un computer quantistico non avrebbe problemi a fare.

Deshpande, Gorshkov e i loro colleghi hanno dimostrato che esiste una netta transizione tra quanto sia facile e difficile simulare il campionamento dei bosoni su un normale computer. Se inizi con alcuni bosoni ben separati e li lasci saltellare solo brevemente, la complessità del campionamento rimane bassa e il problema è facile da simulare. Ma se aspetti più a lungo, un normale computer non ha alcuna possibilità di catturare il comportamento quantistico, e il problema diventa difficile da simulare.

Il risultato è intuitivo, Deshpande dice, poiché in tempi brevi i bosoni sono ancora relativamente vicini alle loro posizioni di partenza e non è emerso molto della loro "quantità". Per tempi più lunghi, anche se, c'è un'esplosione di possibilità per dove un dato bosone può finire. E poiché è impossibile distinguere due bosoni identici l'uno dall'altro, più a lungo li lasci saltellare, più è probabile che si scambino silenziosamente di posto e complichino ulteriormente le probabilità quantistiche. In questo modo, il drammatico cambiamento nella complessità del campionamento è legato a un cambiamento nella fisica:le cose non diventano troppo difficili finché i bosoni non saltano abbastanza lontano da cambiare posto.

Gorshkov afferma che cercare cambiamenti come questo nella complessità del campionamento può aiutare a scoprire le transizioni fisiche in altri compiti o esperimenti quantistici. Al contrario, una mancanza di aumento della complessità può escludere un vantaggio quantistico per i dispositivi che sono troppo soggetti a errori. In entrambi i casi, Gorshkov dice, i risultati futuri derivanti da questo cambiamento di prospettiva dovrebbero essere interessanti. "Uno sguardo più approfondito sull'uso della teoria della complessità del campionamento dall'informatica per studiare la fisica quantistica a molti corpi è destinato a insegnarci qualcosa di nuovo ed eccitante su entrambi i campi, " lui dice.