谷歌新算法將物理問題轉化為量子力學語言

【2024年03月26日訊】(記者林達編譯報導)谷歌的研究人員創建了一種算法,可將複雜的物理問題轉化為量子力學語言,這可以幫助量子計算機處理更多任務。

一旦變得足夠強大,量子計算機可能會對特定的計算工作有用,例如破解加密或計算量子力學的各種模型,但在很大程度上仍不知其對於經典計算機無法解決的許多科學問題有多大用處。

某些複雜的問題,例如如何最好地通過電網分配電力、或橋梁如何應對地震,仍可用經典物理學和計算機做最好地理解。

現在,谷歌的瑞安·巴布布什(Ryan Babbush)及其同事開發了一種算法來翻譯大量經典問題,以便可在量子計算機上運行。「有一類重要的經典系統,我們可在量子計算機上模擬這些系統的動力學時獲得指數級的加速,」巴布什說。該團隊的研究成果於2023年12月4日發表在《物理學評論X》(Physical Review X)。

任何處於穩定狀態的系統突然間受到外力擾動後,例如防彈背心被子彈擊中,都可以用來對彈珠和彈簧組成的系統進行數學描述,該系統遵循經典力學中的胡克定律(Hooke’s Law)。

巴布什說,許多物理問題都可用彈珠和彈簧的類似系統來描述,包括大多數波動系統,例如神經元活動的圖譜或從物質表面所反射的光。

巴布布什團隊意識到,描述這些經典彈簧系統的數學,無論多麼複雜,總是可以表達為薛定諤方程(Schrödinger equation)的某個版本,該方程描述了任何量子系統如何隨時間而變化。

通過研究兩個方程之間的相似性並利用問題中的對稱性,研究人員制定了一種算法,將彈簧移動的距離和速度轉換為薛定諤方程和量子計算機使用的量子位語言。

研究人員還發現,這種算法可以解決的問題涵蓋了目前量子計算機上能夠解決的所有問題,這意味著任何其它算法也可以用彈珠-彈簧算法的語言來表達,儘管不一定更快。

牛津大學的亞歷克斯·基辛格(Aleks Kissinger)說,這很重要,因為這等於完全超
出了經典計算機的範圍。 「因為它正在解決一些有關經典系統物理學的問題,所以你一開始可能會想,好吧,也許有一些有效的經典算法也可以解決問題。研究者提供了非常有力的證據證明『有效的經典算法』並不存在。」

巴布布什團隊尚未計算出該算法需要多少量子位,但它恐怕超出了當今量子計算機的能力。然而,巴布布什表示,這可能是「相對適度」(relatively modest)的糾錯量子計算機(error-corrected quantum computer)的首批應用之一。◇

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