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谷歌新算法将物理问题转化为量子力学语言

2024年3月21日7:08 未解之谜网

    量子计算机示意图。(Shutterstock)

    谷歌的研究人员创建了一种算法,可将复杂的物理问题转化为量子力学语言,这可以帮助量子计算机处理更多任务。

    一旦变得足够强大,量子计算机可能会对特定的计算工作有用,例如破解加密或计算量子力学的各种模型,但在很大程度上仍不知其对于经典计算机无法解决的许多科学问题有多大用处。

    某些复杂的问题,例如如何最好地通过电网分配电力、或桥梁如何应对地震,仍可用经典物理学和计算机做最好地理解。

    现在,谷歌的瑞安·巴布布什(Ryan Babbush)及其同事开发了一种算法来翻译大量经典问题,以便可在量子计算机上运行。“有一类重要的经典系统,我们可在量子计算机上模拟这些系统的动力学时获得指数级的加速,”巴布什说。该团队的研究成果于2023年12月4日发表在《物理学评论X》(Physical Review X)。

    任何处于稳定状态的系统突然间受到外力扰动后,例如防弹背心被子弹击中,都可以用来对弹珠和弹簧组成的系统进行数学描述,该系统遵循经典力学中的胡克定律(Hooke’s Law)。

    巴布什说,许多物理问题都可用弹珠和弹簧的类似系统来描述,包括大多数波动系统,例如神经元活动的图谱或从物质表面所反射的光。

    巴布布什团队意识到,描述这些经典弹簧系统的数学,无论多么复杂,总是可以表达为薛定谔方程(Schrödinger equation)的某个版本,该方程描述了任何量子系统如何随时间而变化。

    通过研究两个方程之间的相似性并利用问题中的对称性,研究人员制定了一种算法,将弹簧移动的距离和速度转换为薛定谔方程和量子计算机使用的量子位语言。

    研究人员还发现,这种算法可以解决的问题涵盖了目前量子计算机上能够解决的所有问题,这意味着任何其它算法也可以用弹珠-弹簧算法的语言来表达,尽管不一定更快。

    牛津大学的亚历克斯·基辛格(Aleks Kissinger)说,这很重要,因为这等于完全超

    出了经典计算机的范围。 “因为它正在解决一些有关经典系统物理学的问题,所以你一开始可能会想,好吧,也许有一些有效的经典算法也可以解决问题。研究者提供了非常有力的证据证明‘有效的经典算法’并不存在。”

    巴布布什团队尚未计算出该算法需要多少量子位,但它恐怕超出了当今量子计算机的能力。然而,巴布布什表示,这可能是“相对适度”(relatively modest)的纠错量子计算机(error-corrected quantum computer)的首批应用之一。

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