Forskere har funnet at kvantesammenfiltring, ofte sett på som en utfordring, faktisk kan gi betydelige fordeler i simuleringer. Ifølge nettstedet Quantum Insider viser en fersk studie publisert i Nature Physics hvordan denne spesielle kvanteegenskapen kan brukes som en beregningsressurs i stedet for å være et hinder.
Fra hindring til fordel
Kvantesammenfiltring er et fenomen der partikler forblir tett forbundet, uansett hvor langt fra hverandre de befinner seg. Dette har lenge vært sett på som en merkverdighet i fysikken, men i følge forskerne bak den nye Kina–USA-studien, kan det i stedet være en nøkkel til mer effektive kvantesimuleringer. Når en kvantetilstand blir sterkt sammenfiltret underveis i en simulering, ser det ut til at både feilraten og ressursbruken kan reduseres betraktelig. Dette snur opp ned på en gammel antakelse: at systemer med mye sammenfiltring er vanskeligere å håndtere. For klassiske datamaskiner stemmer det fremdeles, men for kvantedatamaskiner kan det være motsatt.
Å simulere naturens kompleksitet
Kvantesimuleringer er et avgjørende verktøy for å forstå hvordan materialer oppfører seg, hvordan molekyler reagerer, og hvordan kvantesystemer utvikler seg over tid. Slike simuleringer har potensial til å revolusjonere forskning innen alt fra legemiddelutvikling og nye materialer til energiteknologi, partikkelfysikk og økonomiske modeller. Det som gjør kvantesimuleringer så krevende, er behovet for å modellere hvordan et system – beskrevet med en såkalt Hamilton-operator – endrer seg. Dette skjer gjerne ved å bruke Trotter-metoder, som bryter opp tidens gang i mindre biter. Feilene i slike simuleringer har tidligere blitt beregnet ut fra verst tenkelige scenarioer, som systemer med lite eller ingen sammenfiltring. Men forskerne bak denne studien har utviklet nye teoretiske rammer som viser at høy sammenfiltring faktisk reduserer feilene og kan bringe simuleringene nærmere et såkalt gjennomsnittlig scenario – der langt færre beregningssteg er nødvendig.
Sammenfiltring gir hastighet
Forskerne har definert to nye feilmål, hvorav det ene er knyttet direkte til graden av sammenfiltring, målt gjennom såkalt entropi. Resultatene viser at jo høyere sammenfiltringen er, desto mindre blir den såkalte Trotter-feilen, som skyldes forenklingen av tidsutviklingen i simuleringen. Dette har praktiske konsekvenser. Normalt øker ressursbehovet lineært med systemets størrelse og hvor nøyaktig simuleringen må være. Men dersom systemet utvikler høy grad av sammenfiltring, kan kostnaden i stedet øke med kvadratroten – en dramatisk reduksjon i kompleksitet. Teorien ble bekreftet gjennom simuleringer av et 12-qubit kvantesystem, der det ble tydelig at høy grad av sammenfiltring førte til lavere feil, mens simuleringer uten slik utvikling forble unøyaktige.
Dynamisk tilpasning
Et særlig interessant aspekt ved studien er hvordan forskerne gikk videre fra statiske analyser og utviklet en tilpasningsdyktig algoritme. Denne algoritmen benytter målepunkter underveis for å estimere hvor sammenfiltret systemet har blitt, og justerer simuleringen deretter. I praksis betyr det at systemet sjekker seg selv underveis og bruker færre ressurser der det er mulig, uten å miste nøyaktighet. Dette kan redusere behovet for antall logiske porter – en av de store flaskehalsene i dagens kvantedatamaskiner.
Ikke alle kvantetilstander gir gevinst
Samtidig er det viktig å påpeke at ikke alle kvantetilstander drar nytte av denne teknikken. Forskerne viste at visse typer usammenfiltrede tilstander – såkalte produkt-tilstander – ikke gir bedre resultater enn tidligere antatt. Med andre ord må simuleringen naturlig utvikle sammenfiltring for at effekten skal slå inn. Studien introduserte også begrepet k-uniformitet, som beskriver hvor blandet delsystemene er. De fleste tilfeldige kvantetilstander oppfyller dette kravet, noe som gjør metoden relevant i mange sammenhenger.
Mulige ringvirkninger
Funnene kan få betydning også utover rene simuleringer. Mange kvantealgoritmer, blant annet innen kvantekjemi, faststoff-fysikk og finans, er bygget rundt simuleringer. Dersom sammenfiltring faktisk kan sees som en ressurs, kan dette påvirke hvordan fremtidens algoritmer designes. Studien antyder også at andre kvantefenomener, som koherens og såkalte “magiske tilstander” – spesielle kvantetilstander som muliggjør universell kvanteberegning – kan gi lignende fordeler.
Veien videre
Foreløpig er funnene hovedsakelig basert på simuleringer av små systemer, siden klassisk simulering av sterkt sammenfiltrede kvantesystemer er svært krevende. Det gjenstår å se hvordan metoden fungerer i praksis når den testes på større kvantedatamaskiner. Det adaptive måleopplegget innebærer også en viss ekstra kostnad, men denne er ifølge forskerne lav sammenlignet med gevinstene, spesielt ettersom kvantehardware blir bedre. Studien ble utført av Qi Zhao ved Universitetet i Hong Kong, You Zhou fra Fudan-universitetet og Andrew M. Childs ved University of Maryland.
