Команда исследователей из России и Великобритании успешно продемонстрировала, что «волшебная пыль», комбинирующая в себе свет и материю, может быть использована для решения сложных проблем и может превзойти возможности даже самых мощных суперкомпьютеров.
©Wikipedia
Исследователи из Сколковского института науки и технологии (Сколтех), Кембриджа (University of Cambridge), Университета Саутгемптона (Southampton University) и Кардиффского университета (Cardiff University) использовали квантовые частицы, известные как поляритоны, представляющие из себя смесь света и материи, в качестве «маяка», показывающего путь к простейшему решению сложных проблем.
Эта новая идея может стать основой нового типа компьютера, способного решать неразрешимые в настоящее время проблемы в различных областях, будь то биология, финансы или космические путешествия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Технологический прогресс человечества – от моделирования процессов сворачивания белков и динамики финансовых рынков до разработки новых материалов и отправки полностью автоматизированных миссий в космическое пространство – зависит от нашей способности находить оптимальное решение – абсолютного минимума математической формулировки задачи.
Поиск оптимального решения аналогичен поиску самой низкой точки в горной местности, где очень непостоянный ландшафт со множеством впадин и расщелин. Путешественник может спуститься вниз и думать, что он достиг ландшафтного минимума, в то время как за соседней горой окажется более глубокая впадина. Такой поиск кажется сложным даже в естественной горной местности, но попробуйте представить сложность такой же задачи в многомерном пространстве.
«Это именно та проблема, которая возникает в реальной жизни, когда нужно минимизировать функцию в присутствии множества неизвестных параметров и ограничений», – рассказывает первый автор статьи Наталья Берлова (Natalia Berloff), профессор Сколтеха и Кембриджского факультета прикладной математики и теоретической физики.
Современные суперкомпьютеры могут иметь дело только с ограниченным подмножеством таких задач, когда размерность минимизируемой функции мала или когда базовая структура проблемы позволяет быстро найти оптимальное решение даже для функции большой размерности. Даже гипотетический квантовый компьютер, если он будет создан, в лучшем случае даст квадратичное ускорение для неупорядоченного поиска глобального минимума по сравнению с классическим компьютером.
Математик из Кембриджского университета и профессор Сколтеха Наталья Берлова и ее коллеги посмотрели на проблему под другим углом. Что, если вместо того чтобы исследовать горную местность в поисках самой низкой точки, заполнить пейзаж «волшебной пылью», которая будет сиять только в самом глубоком месте и позволит легко обнаружить решение?
«Несколько лет назад наше чисто теоретическое предположение о том, как это сделать, было отвергнуто тремя научными журналами», – рассказывает Берлова. «Один рецензент сказал: «Где найдется такой сумасшедший, который попытается это реализовать?». Поэтому нам пришлось сделать это самим, и теперь мы подтвердили нашу гипотезу экспериментальными данными».
По задумке ученых «волшебная пыль» состоит из поляритонов – квантовой суперпозиции фотонов и электронов, созданых с помощью лазера на тонких слоях напыления различных атомов, таких как галлий, мышьяк, индий и алюминий. Электроны в этих слоях поглощают и излучают свет определенного цвета. Поляритоны в десять тысяч раз легче электронов и могут достигать достаточной плотности для образования нового состояния вещества, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна, где квантовые фазы поляритонов синхронизируются и создают единый макроскопический квантовый объект, излучающий свет.
Следующий вопрос, который встал перед учеными, – как создать потенциальный ландшафт, соответствующий минимизируемой функции, и заставить поляритоны конденсироваться в самой низкой точке? Для этого исследователи сосредоточились на конкретном типе проблемы оптимизации, но достаточно общим для того, чтобы решить с его помощью любую другую трудную проблему.
В качестве модельной проблемы была взята минимизация XY-модели, одной из фундаментальных моделей статистической механики. Авторы показали, что они могут создавать поляритоны в узлах произвольного графа: во время конденсации поляритонов их квантовые фазы располагаются в конфигурации, соответствующей абсолютному минимуму целевой функции.
«Мы только начинаем изучать потенциал поляритонных графов для решения сложных задач», – говорит соавтор исследования Павлос Лагудакис (Pavlos Lagoudakis), руководитель лабораторий гибридной фотоники в Сколтехе (где были проведены эксперименты), и Саутгемптонском университете. – В настоящее время мы масштабируем наше устройство до сотен узлов, проверяя его фундаментальную вычислительную мощность. Наша конечная цель – микрочиповый квантовый вычислитель, работающий в нормальных условиях окружающей среды».
