Квантовый прорыв для обычных ПК: Новая методика моделирует сложные системы без суперкомпьютеров
Физики разработали способ моделирования квантовых систем на обычных компьютерах, что позволяет проводить сложные симуляции без необходимости задействовать суперкомпьютеры или инструменты искусственного интеллекта (ИИ).
Новый метод модернизирует «приближение усеченного Вигнера» (Truncated Wigner Approximation, TWA) — десятилетиями существовавшую технику аппроксимации квантового поведения, превращая её в удобный «plug-and-play» инструмент для решения сложных расчётов.
По словам исследователей, это позволяет точнее предсказывать поведение реальных квантовых систем, используя стандартное оборудование, и тем самым высвобождать высокопроизводительные вычислительные ресурсы для решения более сложных квантовых задач. Учёные опубликовали своё исследование 8 сентября в журнале PRX Quantum.
«Наш подход обеспечивает значительно более низкие вычислительные затраты и намного более простую формулировку динамических уравнений, — заявил в своём заявлении соавтор исследования, доцент физики Университета штата Нью-Йорк в Буффало, Джамир Марино. — Мы считаем, что в ближайшем будущем этот метод может стать основным инструментом для исследования подобной квантовой динамики на потребительских компьютерах».
Современный взгляд на полуклассический метод
Впервые разработанное в 1970-х годах, TWA — это «полуклассический» метод моделирования, используемый для предсказания квантового поведения.
Квантовые системы управляются законами квантовой механики и обычно включают частицы в невообразимо малых масштабах. На этом уровне такие явления, как когерентность и запутанность, порождают эффекты, которые невозможно полностью объяснить лишь классической физикой.
Поскольку эти эффекты генерируют колоссальное количество возможных исходов, их симуляция часто требует огромной вычислительной мощности — например, кластеров суперкомпьютеров или нейросетей. Чтобы упростить изучение квантовой динамики на обычном оборудовании, физики часто используют теоретическую основу под названием полуклассическая физика.
Полуклассическая физика предполагает трактовку частей квантового уравнения через призму квантовой механики, а других частей — с помощью классической физики, что позволяет исследователям аппроксимировать поведение квантовой системы во времени.
Метод TWA работает путем преобразования квантовой задачи в множество упрощенных классических расчётов. Каждый такой расчёт начинается с небольшого количества статистического «шума», чтобы учесть присущую квантовой механике неопределенность. Запустив эти упрощенные вычисления и усреднив результаты, исследователи получают достаточно полную картину того, как будет развиваться квантовая система.
Однако изначально TWA был разработан для «идеализированных» квантовых систем, полностью изолированных от внешних воздействий. Это значительно упрощает математику, поскольку предполагает эволюцию системы без помех.
В реальности квантовые системы часто являются «открытыми» и подвержены внешним воздействиям. Частицы теряют или поглощают энергию либо постепенно теряют когерентность, взаимодействуя с окружающей средой. Эти эффекты, известные под общим названием диссипативной динамики, выходят за рамки традиционного TWA и делают предсказание поведения квантовых систем гораздо более сложным.
Исследователи решили эту проблему, расширив возможности TWA для работы с уравнениями Линдблада — широко используемым математическим аппаратом для моделирования диссипации в «открытых» квантовых системах. Затем они упаковали обновленный метод в «практичный, удобный шаблон», который служит своего рода таблицей перевода, позволяя физикам подставить конкретную задачу и получить пригодные для использования уравнения в течение нескольких часов.
«Многие группы пытались сделать это до нас, — сказал Марино. — Известно, что определённые сложные квантовые системы можно эффективно решать с помощью полуклассического подхода. Однако настоящей проблемой было сделать его доступным и простым в применении».
Обновленная методика также делает TWA многократно применимым. Вместо того чтобы каждый раз заново выстраивать базовую математику для новой задачи, физики могут ввести параметры своей системы в обновлённую структуру и применить её напрямую. Это снижает порог входа и значительно ускоряет вычисления, заявила команда.
«Физики могут освоить этот метод буквально за один день, а примерно к третьему дню они уже запускают некоторые из самых сложных задач, представленных в нашем исследовании», — заявила в своём заявлении соавтор исследования, докторант Университета в Буффало, Оксана Челпанова.
Перспективы и последствия
Этот прорыв открывает двери для более широкого круга исследователей, включая студентов и научные группы с ограниченными вычислительными ресурсами, для активного участия в моделировании сложных квантовых процессов. Теперь им не требуется ждать очереди на доступ к национальным суперкомпьютерным центрам или разрабатывать специализированные алгоритмы машинного обучения. Метод может найти применение в различных областях: от проектирования новых квантовых материалов и оптимизации квантовых сенсоров до моделирования химических реакций и биологических процессов на квантовом уровне.
Более того, упрощение и ускорение моделирования «открытых» квантовых систем является критически важным шагом на пути к созданию практичных квантовых компьютеров. Понимание и управление диссипацией — ключевое препятствие на пути к поддержанию стабильности кубитов. Новый метод предоставляет инструмент для быстрого тестирования гипотез и дизайна систем, более устойчивых к декогеренции.
Таким образом, работа команды из Буффало представляет собой не просто техническое улучшение старого метода, а стратегическую демократизацию доступа к передовому квантовому моделированию. Это приближает эпоху, когда сложные квантовые расчёты станут рутинной частью исследовательского процесса в самых разных лабораториях по всему миру.
