นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้ค้นพบวิธีที่จะทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพมากขึ้น

นักฟิสิกส์รวมถึงพนักงานของสถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีกุ๊บได้ศึกษาว่าการละเมิดความถูกต้องในระบบควอนตัมขนาดใหญ่ได้อย่างไร นอกเหนือจากความจริงที่ว่าการศึกษาช่วยให้เข้าใจพฤติกรรมของระบบดังกล่าวได้ดีขึ้นผลลัพธ์ของมันก็มีประโยชน์สำหรับการพัฒนาอัลกอริธึมการค้นหาสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม การค้นหาข้อมูลในฐานข้อมูลขนาดใหญ่เป็นงานที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจัดการได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าแบบดั้งเดิมดังนั้นการสร้างอัลกอริทึมการทำงานจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง งานนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Annals of Physics

หลักการของการยศาสตร์เป็นคุณสมบัติของระบบแบบไดนามิกที่จะผ่านทุกรัฐที่มีให้พวกเขา ไม่สำคัญว่าสถานะเริ่มต้นของกระบวนการเริ่มต้นเพียงแค่สิ่งที่จำเป็นต้องใช้เวลารอคอยนานพอ หากเราพิจารณาอะตอมหนึ่งอะตอมในห้องเป็นระบบไดนามิกหลังจากรอเป็นเวลานานเราจะพบว่าเขาได้ไปเยี่ยมทั่วทุกมุมของห้องนี้ แต่ถ้าเราจินตนาการว่าเราไม่มีหนึ่งอัน แต่เป็นอะตอมทั้งหมดที่ก่อตัวเป็นผลึกมันก็กลับกลายเป็นว่าหลักการของความถูกต้องทางสรีรวิทยานั้นถูกละเมิดเนื่องจากอะตอมแต่ละอันอยู่ในบริเวณใกล้เคียงจุดหนึ่งเสมอ มีการสังเกตสถานการณ์เดียวกันหากเราไม่มีคริสตัล แต่เป็นแก้ว คำถามที่เกิดขึ้น: หากมีระบบควอนตัมเชิงกลขนาดใหญ่ แต่มีขนาด จำกัด ภายใต้เงื่อนไขที่ว่ามันตอบสนองหลักการของการยศาสตร์และที่มันไม่ได้และรัฐหนึ่งจะกลายเป็นอื่น

คำถามนี้น่าสนใจไม่เพียง แต่จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ล้วนๆ ผู้คนเรียนรู้การสร้างระบบควอนตัมขนาดใหญ่ที่แยกได้จากโลกภายนอก - คอมพิวเตอร์ควอนตัม ที่ใหญ่ที่สุดที่มีอยู่เป็นของ Google และประกอบด้วยประมาณ 70 qubits ในไม่กี่ปีที่ผ่านมาคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ qubits หลายร้อยและพันมีแนวโน้มที่จะปรากฏขึ้น แนวคิดของฟิสิกส์เชิงสถิติเชิงควอนตัมสามารถใช้ได้กับระบบขนาดใหญ่เช่นนี้และโดยเฉพาะอย่างยิ่งทฤษฎีของควอนตัมแก้วซึ่งก็คือระบบควอนตัมที่ละเมิดหลักการของการยศาสตร์ จากทฤษฎีของระบบดังกล่าวเรารู้อยู่แล้วถึงคุณสมบัติบางอย่างของพวกเขาและพวกเขากำหนดข้อ จำกัด ที่ร้ายแรงเกี่ยวกับความสามารถของคอมพิวเตอร์ควอนตัม - อย่างไรก็ตามไกลจากทุกสิ่งที่เข้าใจในพื้นที่ของฟิสิกส์นี้และไม่ได้ระบุข้อ จำกัด ที่สำคัญทั้งหมด

ผู้เขียนทำงานกับแบบจำลองที่ค่อนข้างง่ายซึ่งเกี่ยวข้องกับตัวแปรจำนวนมาก พวกเขาพบว่าบริเวณใดของพารามิเตอร์ของระบบที่อยู่ในเฟส ergodic ซึ่งไม่ใช่ - และวิธีการจัดเรียงเฟส ergodic นี้ ตัวแบบเป็นลูกบาศก์ในพื้นที่ของมิติจำนวนมาก: คิวบ์ n- มิติโดยที่ n มีขนาดใหญ่มาก ดังนั้นจำนวนของจุดยอดของลูกบาศก์ - 2n - จึงใหญ่มาก ค่าพลังงานสุ่มบางอย่างถูกกำหนดให้กับแต่ละจุดยอดของลูกบาศก์และค่าทั้งหมดถูกเลือกจากการแจกแจงแบบเกาส์เดียวกันที่มีความกว้างคงที่ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่ามีอนุภาคที่มีความสามารถในการกระโดดจากบนลงล่าง - ความกว้างของการกระโดดควอนตัมนั้นมีขนาดเล็กและถูกกำหนดไว้ตั้งแต่แรก นักฟิสิกส์ต้องการทราบว่าอนุภาคดังกล่าวจะไปไกลโดยพลการหรือจะหยุดในไม่ช้า

ในสวนริมทะเลซาฟารีมีคนเห็นตัดสิน

มันกลับกลายเป็นว่าปัญหานี้มีสามวิธีที่เป็นไปได้ขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาค มีขอบเขตของพลังงานอนุภาคที่มันเคลื่อนที่ไปทั่วลูกบาศก์ มีพื้นที่เมื่อกระโดดขึ้นไปถึงยอดเขาเพียงไม่กี่แห่ง และมีพื้นที่กึ่งกลางซึ่งอนุภาคเริ่มเคลื่อนที่จากจุดสุ่มบางจุดหลังจากเวลานานถูกกระจายไปทั่วส่วนหนึ่งของลูกบาศก์ (นั่นคือมันสามารถพบได้ที่จุดใดก็ได้ในพื้นที่นี้ของลูกบาศก์) จำนวนคะแนนที่อนุภาคสามารถเข้าถึงได้ในกรณีนี้คือ 2an โดยที่ a คือตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 1 ในอีกด้านหนึ่งนี่เป็นจำนวนมาก แต่ที่อื่น ๆ มันเป็นเพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของจุดยอดที่เป็นไปได้ทั้งหมด ตัวอย่างเช่นถ้า a คือ 0.5, 2an หมายถึงรูทของจำนวนยอดรวมทั้งหมด

“ เราพบว่ามีพารามิเตอร์งานที่หลากหลายซึ่งตระหนักถึงสถานะระดับกลาง” Mikhail Feigelman หนึ่งในผู้เขียนของหัวหน้าแผนกภาควิชาฟิสิกส์ของ Landau Quantum Mesoscopy ของ ITF กล่าว “ ยิ่งไปกว่านั้นเวลาลักษณะ t, ในระหว่างที่อนุภาค“ กระจาย” ไปทั่วพื้นที่ของพื้นที่นี้, มีขนาดใหญ่มาก - มันเติบโตขึ้นในรูปแบบเลขชี้กำลังของจำนวนโหนด n, นั่นคือ t ~ 2nb, โดยที่ b คือหมายเลขอื่นระหว่าง 0 และ 1 ในแง่นี้พฤติกรรมนี้คล้ายกับสถานะของแก้วมาก - เราสามารถพูดได้ว่านี่เป็นแบบจำลองที่ง่ายที่สุด แก้วนั้นมีลักษณะที่ว่ามันมีการเคลื่อนไหวที่ช้ามาก ๆ ถ้าคุณดูกระจกหลายร้อยปีมันจะเห็นได้ชัดว่ามันเป็นของเหลวข้นหนืด: เห็นได้ชัดว่ามันข้นและบางลงที่ด้านบน เวลาที่บางสิ่งในแก้วเปลี่ยนไป แต่นานมาก ยิ่งกว่านั้นแก้วไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในช่วงเวลาหนึ่งมีหลายอย่างที่แตกต่างกัน - บางส่วนเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้นบางช้าลง แบบจำลองของเราเป็นครั้งแรกที่เราจัดการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ทางทฤษฎีสำหรับระบบควอนตัมแบบ "แก้ว" ที่แยกจากโลกภายนอกอย่างเข้มงวดและตรวจสอบการทำนายเหล่านี้โดยใช้การทดลองเชิงตัวเลขโดยตรง

นอกจากนี้รูปแบบการศึกษาโดยนักฟิสิกส์จะเป็นประโยชน์สำหรับการศึกษาอัลกอริทึมควอนตัม ประมาณ 20 ปีที่ผ่านมาได้รับการพิสูจน์อย่างเคร่งครัดว่าในการแก้ปัญหาการค้นหาในฐานข้อมูลขนาดใหญ่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถมีประสิทธิภาพมากกว่าคลาสสิก สำหรับสิ่งนี้อัลกอริทึม Grover ที่เรียกว่าถูกคิดค้น จำนวนของการดำเนินการที่จำเป็นสำหรับการค้นหาแบบคลาสสิกในฐานข้อมูลที่ไม่มีโครงสร้างของขนาด N ก็เป็นลำดับที่ N สำหรับการสื่อสารกับแบบจำลองภายใต้การศึกษาเราสมมติว่าตำแหน่งในฐานข้อมูลสอดคล้องกับโหนดของ hypercube นั่นคือ N = 2n อัลกอริทึมควอนตัมของ Grover ช่วยให้คุณสามารถค้นหาโดยสูตรการเคลื่อนที่“ root of 2n” Feigelman อธิบาย - แต่อัลกอริทึมนี้มีความไวต่อข้อผิดพลาดทุกชนิด ในการค้นหาบางสิ่งในฐานข้อมูลด้วยความช่วยเหลือคุณต้องมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมตัวจริงที่ไม่มีอยู่จริงทุกที่ซึ่งสามารถแก้ไขข้อผิดพลาดและทำงานได้อย่างไม่มีกำหนด ในอนาคตอันใกล้นี้เครื่องดังกล่าวจะไม่ถูกสร้างขึ้น ดังนั้นหลายคนสนใจในคำถาม: เป็นไปได้ที่จะเกิดอัลกอริธึมที่ไม่เร็วนัก แต่มีเสถียรภาพมากขึ้นซึ่งจะเป็นไปได้ที่จะหาวิธีแก้ปัญหาที่ดีในจำนวนการเคลื่อนไหวที่ใหญ่กว่าขีด จำกัด ทางทฤษฎีเล็กน้อยของ Grover แต่ไม่มีข้อกำหนดบังคับใด ๆ

นักทฤษฎีของ Google ได้พยายามตอบคำถามนี้เมื่อเร็ว ๆ นี้ ในทางคณิตศาสตร์อัลกอริธึมการค้นหาบางอย่างในฐานข้อมูล (และปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้อง) มีลักษณะคล้ายกับโมเดลแก้ว นักฟิสิกส์จาก Google ศึกษาแบบจำลองที่ค่อนข้างง่ายบนไฮเปอร์คิวบ์ ตรรกะของการทำงานของพวกเขามีดังนี้: ให้เรามีจุดยอดที่ค่อนข้าง "ดี" บนลูกบาศก์ (อย่างเป็นทางการพวกนี้คือจุดยอดที่มีพลังงานต่ำ (ลบ) เดียวกันในขณะที่จุดยอดอื่น ๆ มีพลังงานเป็นศูนย์) หมายเลข M ของพวกเขาใหญ่ แต่น้อยกว่าจำนวนจุดยอดรวมทั้งหมด 2n เรารู้จักยอดเขาที่“ ดี” หนึ่งและต้องการค้นหาคนอื่นเช่นนั้น ผู้เขียนผลงานพบว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะค้นพบพวกมันด้วยการให้ระบบวิวัฒนาการของควอนตัมของพวกเขาและกระบวนการนี้จะใช้เวลานานแค่ไหน? “ ข้อสรุปที่มองในแง่ดีในระดับปานกลางนั้นถูกดึงมาจากงานของนักฟิสิกส์จาก Google แต่ตัวแบบนั้นเรียบง่ายเกินไป” Feigelman อธิบาย - งานของเรานำเสนอการพัฒนาความคิดนี้ในระบบที่ซับซ้อนมากขึ้น การหาทางออกที่ดีที่สุดในเวลาที่เหมาะสมในงานการค้นหานั้นอาจเป็นไปไม่ได้ - แต่คุณสามารถหาทางออกที่ดีพอสมควร และมีวิธีแก้ปัญหาที่ดีมากมาย แต่น้อยกว่ารัฐที่เป็นไปได้ทั้งหมดหลายเท่า ในแง่นี้ผลลัพธ์ที่เหมาะสมกับเรานั้นคล้ายคลึงกับเฟส non-ergodic ขั้นกลางในโมเดลควอนตัมแก้วที่เราอธิบายไว้”

การพัฒนางานทางทฤษฎีอย่างหมดจดตามที่ผู้เขียนแนะนำอาจกลายเป็นข้อเสนอสำหรับระบบทางกายภาพ - โซ่พิเศษประเภทยิ่งยวดของโจเซฟสัน junctions (ตัวนำยิ่งยวดสองตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยชั้นบาง ๆ ของอิเล็กทริกซึ่งกระแสไฟฟ้ายิ่งยวดไหลผ่าน) ผลเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่าโซ่ดังกล่าวอาจมีคุณสมบัติคล้ายกับที่พบในแบบจำลองเชิงทฤษฎีที่อธิบายโดยนักวิทยาศาสตร์ - แต่ที่สำคัญสามารถสร้างการทดลองได้และพฤติกรรมที่แท้จริงสามารถตรวจสอบได้

คุณชอบบทความหรือไม่

ข่าวที่น่าสนใจที่สุดจากโลกแห่งวิทยาศาสตร์: การค้นพบใหม่ภาพถ่ายและข้อเท็จจริงที่น่าเหลือเชื่อในจดหมายของคุณ ตกลง ฉันเห็นด้วยกับกฎของเว็บไซต์ขอบคุณ เราได้ส่งอีเมลยืนยันไปยังอีเมลของคุณแล้ว

แนะนำ

โดยตรง: การทดสอบข้ามประเทศของ Volvo V90
2019
5 ฟังก์ชั่นที่สมองทำงานขณะนอนหลับ
2019
สมาร์ทโฟนราคา 15,000 จะดีหรือไม่? ให้เกียรติรีวิว 10 lite
2019