Un nuovo algoritmo che fa avanzare rapidamente le simulazioni potrebbe portare una maggiore capacità di utilizzo ai computer quantistici attuali e a breve termine, aprendo la strada alle applicazioni per superare rigidi limiti di tempo che ostacolano molti calcoli quantistici.

"I computer quantistici hanno un tempo limitato per eseguire calcoli prima della loro utile natura quantistica, che chiamiamo coerenza, si rompe, " ha detto Andrew Sornborger del Computer, computazionale, e scienze statistiche presso il Los Alamos National Laboratory, e autore senior su un documento che annuncia la ricerca. "Con un nuovo algoritmo che abbiamo sviluppato e testato, saremo in grado di far avanzare velocemente le simulazioni quantistiche per risolvere problemi che prima erano fuori portata".

Computer costruiti con componenti quantistici, conosciuti come qubit, può potenzialmente risolvere problemi estremamente difficili che superano le capacità anche dei più potenti supercomputer moderni. Le applicazioni includono un'analisi più rapida di insiemi di dati di grandi dimensioni, sviluppo di farmaci, e svelando i misteri della superconduttività, per citare alcune delle possibilità che potrebbero portare a importanti scoperte tecnologiche e scientifiche nel prossimo futuro.

Esperimenti recenti hanno dimostrato il potenziale dei computer quantistici per risolvere problemi in pochi secondi che richiederebbero i migliori millenni di computer convenzionali per essere completati. La sfida resta, però, per garantire che un computer quantistico possa eseguire simulazioni significative prima che la coerenza quantistica si rompa.

"Utilizziamo l'apprendimento automatico per creare un circuito quantistico in grado di approssimare un gran numero di operazioni di simulazione quantistica contemporaneamente, " ha detto Sornborger. "Il risultato è un simulatore quantistico che sostituisce una sequenza di calcoli con un singolo, operazione rapida che può essere completata prima che la coerenza quantistica si interrompa."

L'algoritmo Variational Fast Forwarding (VFF) sviluppato dai ricercatori di Los Alamos è un ibrido che combina aspetti dell'informatica classica e quantistica. Sebbene teoremi consolidati escludano il potenziale di un avanzamento rapido generale con fedeltà assoluta per simulazioni quantistiche arbitrarie, i ricercatori aggirano il problema tollerando piccoli errori di calcolo per i tempi intermedi al fine di fornire utili, se leggermente imperfetto, predizioni.

In linea di principio, l'approccio consente agli scienziati di simulare meccanicamente in modo quantistico un sistema per tutto il tempo che desiderano. In pratica, gli errori che si accumulano all'aumentare dei tempi di simulazione limitano i potenziali calcoli. Ancora, l'algoritmo consente simulazioni ben oltre le scale temporali che i computer quantistici possono raggiungere senza l'algoritmo VFF.

Una stranezza del processo è che occorrono il doppio dei qubit per far avanzare velocemente un calcolo rispetto a quelli che farebbero avanzare velocemente il computer quantistico. Nel documento appena pubblicato, Per esempio, il gruppo di ricerca ha confermato il proprio approccio implementando un algoritmo VFF su un computer a due qubit per far avanzare rapidamente i calcoli che sarebbero stati eseguiti in una simulazione quantistica da un qubit.

Nel lavoro futuro, i ricercatori di Los Alamos hanno in programma di esplorare i limiti dell'algoritmo VFF aumentando il numero di qubit che avanzano velocemente, e verificando fino a che punto possono far avanzare rapidamente i sistemi. La ricerca è stata pubblicata il 18 settembre 2020 sulla rivista npj Informazioni quantistiche .