Задачу моделирования квантовой динамики решили на обычном ноутбуке
Американские физики, задетые громкими заявлениями о квантовом превосходстве, разработали алгоритм для моделирования квантовой динамики на классических компьютерах. Он оказался настолько эффективным, что заработал на обычном ноутбуке.
Вычислительный подход описан в журнале Science. Он позволяет выжать большую мощность из классических машин, открывая новые возможности для изучения квантовой динамики, а кроме того, может стать протоколом для решения задач, где среди множества вариантов нужно найти оптимальный.
В марте 2025 года в том же Science вышла статья о расчете динамики одной особо сложной системы кубитов на квантовом компьютере. Авторы утверждали, что провести его на обычном компьютере нельзя в принципе.
«[В CCQ] мы всегда скептически относимся к таким заявлениям. Всякий раз хочется спросить: "А вы пробовали то? А это пробовали?"» — говорит первый автор исследования Джозеф Тиндалл из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон (CCQ). Эта задача стала для наших инструментов своего рода «выездными испытаниями», добавляет его соавтор Майлз Студенмайр. «Мы могли бы выбрать что-то более абстрактное. Но почему бы не взять ту, к которой прилагается столь громкое заявление?» — рассуждает он.
Главная проблема — квантовая запутанность. Из-за нее кубиты нельзя рассматривать по отдельности, даже если они далеко друг от друга — этим и обусловлена сложность алгоритмов, объясняет Тиндалл: «Когда у нас много частиц, подчиняющихся квантовой физике, возникает волновая функция, описывающая состояние системы. Это огромный объект, который стремительно разрастается с ростом числа частиц».
«Архиватор» для волновой функции
Размер волновой функции растет экспоненциально, и, по словам Тиндалла, «просто сохранить ее прямо на компьютере уже не получится». Работа с такими гигантскими волновыми функциями — типичная проблема в квантовой физике, необходимая, например, для предсказания свойств квантовых материалов, вроде сверхпроводников.
В основе алгоритма — тензорные сети. Исследователь сравнивает их с «zip-архивом для волновой функции — берем всю информацию и сжимаем ее в математическую структуру, заполненную небольшими таблицами чисел, связанных друг с другом».
Именно тензорные сети сделали задачу выполнимой для классических компьютеров. Многие первичные расчеты Тиндалл провел на своем ноутбуке. Для трехмерной динамики использовалась 3D-тензорная сеть, и такая задача ноутбуку уже, конечно, не по силам — ее запускали на CPU-кластере.
«Это очень мощное сжатие, которое может быть крайне эффективным, но сама структура математически довольно сложна. Здесь мы действительно на переднем фланге, потому что работа с такими объектами, особенно в трех измерениях, — территория почти неизведанная. Нужны сложнейшие коды и алгоритмы; это само по себе вызов для программной инженерии», — подчеркивает Тиндалл.
Несмотря на скромное «железо», моделирование дало результаты приемлемой точности — они совпали и с теоретическими предсказаниями, и с данными, полученными на квантовом компьютере.
Что дальше
Хотя эта работа похожа на очередной раунд турнира, в котором сторонники классических и квантовых вычислений пытаются доказать свои преимущества, авторы считают, что эти подходы объединены и общим знанием, и взаимным вдохновением.
«Плюс этого "соревнования" — огромная синергия между теми моделями, которые нам интересны, кодами, которые мы пишем, и тем, что можно реализовать на квантовых компьютерах. Это помогает нам, а также помогает исследователям в области квантовых вычислений, потому что нам, очевидно, гораздо проще моделировать некоторые вещи — мы не строим квантовый компьютер. Я просто пишу код и нажимаю "запуск" на своем персональном компьютере», — говорит Тиндалл.
Следующим шагом будет разработка инструментов для решения задач более практического характера — например, моделирования квантовых материалов.
«На самом деле это гораздо более сложные задачи — причем именно количественно. Так что следующий важный рубеж, который нам предстоит взять, — это как раз они», — заключил Студенмайр.