US Ads

понедельник

Квантовые компьютеры смогут имитировать столкновение частиц

Квантовые компьютеры все еще являются малоизвестной технической новинкой, но к началу 2012 года трио американских теоретиков выяснило, что эти устройства могут обладать, по крайней мере, одним талантом точно. По мнению теоретиков, в том числе из Национального института стандартов и технологий США (NIST), в один прекрасный день физики смогут использовать квантовые компьютеры для изучения внутренней работы вселенной. Такое изучение можно будет проводить способами, которые находятся далеко за пределами возможностей даже самых мощных традиционных суперкомпьютеров.

Квантовые компьютеры используют технологию, которая не могла быть усовершенствованна в течение многих десятилетий. Тем не менее, эти компьютеры открывают огромные перспективы для решения сложных задач. Процессоры этих вычислительных устройств будут использовать для логических переключений законы квантовой механики. Как известно, эти законы регулируют взаимодействие субатомных частиц. Также, эти законы позволяют квантовым переключателям существовать одновременно в нескольких базисных состояниях, поэтому квантовые компьютеры могут рассматривать все возможные решения проблемы сразу.

Этот уникальный талант квантовых компьютеров находится далеко за пределами возможностей современных классических компьютеров. В настоящее время, благодаря этому таланту, квантовые компьютеры способны быстро решать сложные проблемы, например такие, как нарушение или поломка сложных кодов. Но эти компьютеры также могут рассматривать и более сложные проблемы.

Стефен Джордан (Stephen Jordan), теоретик отдела прикладной и вычислительной математики NIST, летом 2012 года сказал в одной научной публикации, что ученые уже имеют теоретическую модель квантового компьютера и один из главных вопросов состоит в том, какие происходящие в природе физические процессы может эффективно представить эта модель? Может это столкновение частиц, может быть ранняя Вселенная после Большого Взрыва? Ученых интересует, могут ли они использовать квантовый компьютер для имитации таких процессов и на что им рассчитывать.

YouTube Видео
Название: Помощь квантовых компьютеров при изучения физики Вселенной (на английском).Канал: National Institute of Standards and Technology

Сейчас решение подобных вопросов предполагает отслеживание взаимодействий множества различных элементов. Пока такая ситуации быстро становится слишком сложной для самых мощных современных компьютеров.

В той же научной публикации сообщалось, что команда ученых разработала алгоритм в виде серии инструкций, которые могут быть запущены повторно, и которые могли бы работать на любом функционирующем квантовом компьютере, независимо от конкретной технологии. В конечном итоге это даст возможность построить такой компьютер. Алгоритм будет имитировать все возможные взаимодействия между двумя элементарными частицами, сталкивающимися друг с другом, что в настоящее время требует годы усилий и наличие большого ускорителя заряженных частиц для изучения.

Как известно, квантовое состояние сталкивающихся частиц является очень сложным явлением, в котором трудно заранее представить возможное количество бит информации. По этой причине моделирование таких столкновений является очень трудной задачей для современных цифровых вычислительных машин. Однако, алгоритм команды кодирует информацию, описывающую квантовое состояние частиц, гораздо более эффективным способом с использованием массива квантовых переключателей, что делает вычисление гораздо более разумным.

Большая часть работ по алгоритму была проделана в Калифорнийском технологическом институте в то время, когда Джордан был постдокторантом. Его соавторами стали постдокторант Кейт Ли (Keith S.M. Lee), впоследствии постдок в университете Питтсбурга, и Джон Прескилл (John Preskill), профессор теоретической физики имени Ричарда Фейнмана из Калифорнийского технологического института.

Эта команда ученых использовала принципы квантовой механики, чтобы доказать, что их алгоритм может суммировать эффекты взаимодействия между сталкивающимися частицами. Причем, делать это достаточно хорошо, чтобы генерировать определенный вид данных, которые будет обеспечивать ускоритель.

По словам Прескилла, самым приятным в моделировании является то, что ученые могут увеличивать сложность проблемы за счет увеличения энергии частиц и столкновений. Но трудность решения проблемы не увеличивается так быстро, чтобы процесс становился неуправляемым, поэтому квантовый компьютер может реально с этим справиться.

Хотя разработанный алгоритм был предназначен только для одного определенного вида столкновений, команда ученых предположила, что их работа может быть использована для изучения всей теоретической основы фундаментальной физики.  

Как отметил Джордан, ученые считают, что их работа может быть применена ко всей стандартной модели физики. Это может позволить квантовым компьютерам послужить в качестве своего рода аэродинамической трубы для тестирования идей, которые сегодня требуют применения ускорителей заряженных частиц.

Примечание. Весной 2013 корпорация Google объявила в своем блоге об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. В рамках этого проекта планируется задействовать для вычислений квантовый компьютер от канадской корпорации D-Wave Systems.

Ссылки

Данная история основана на материалах, предоставленных Национальным Институтом стандартов и технологий США (NIST). 
Quantum Computers Will Be Able to Simulate Particle Collisions
http://www.nist.gov/itl/math/collisions-053112.cfm

Материалы могли быть отредактирована для содержания и длины текста. За дальнейшей информацией следует обращаться к первоисточнику.

Журнальный вариант:
S. P. Jordan, K. S. M. Lee, J. Preskill. Quantum Algorithms for Quantum Field Theories. Science, 2012; 336 (6085): 1130 DOI: 10.1126/science.1217069
http://www.sciencemag.org/content/336/6085/1130