物理学家最终发现了一个只有量子计算机才能解决的问题

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物理学家最终发现了一个只有量子计算机才能解决的问题

原创 AI 资讯技术 AI 资讯技术 2024-03-13 09：45 广东

研究人员已经证明，量子系统的能量问题对于量子计算机来说很容易，但是对于经典计算机来说却很困难。



量子计算机正准备成为计算超级力量，但研究人员长期以来一直在寻找一个能够赋予量子优势的可行问题——只有量子计算机才能解决这个问题。他们认为，只有这样，技术才会被认为是必不可少的。

他们已经找了几十年了。“它之所以具有挑战性，部分原因是因为古典计算机非常擅长它们所做的许多事情，”他说。他是加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔。

In 1994 ，彼得舒尔发现一种可能性是：一种量子算法，用于将大量的数字分解.舒尔的算法非常强大，人们普遍认为它能击败所有传统的算法；当在量子计算机上运行时，它有可能打破互联网的大部分安全系统，而这些安全系统依赖于对大量数字的严格分解。但尽管它给人印象深刻，但它只适用于一小部分研究领域，而且有可能明天有人会找到一种有效的方法来在一台经典机器上计算大量的数字，这使得 Shor 的算法变得无意义。舒尔的狭隘适用性导致研究界寻找其他量子机器的用例，这些用例实际上可能有助于做出新的科学发现。

“我们不想只为一个任务就造一台计算机，”他说。他是麻省理工学院的物理学家崔秀原。“除了舒尔的算法，我们还能用量子计算机做什么呢?”

正如普雷斯基尔所言，“我们必须找到那些传统上难以解决的问题，但我们必须（表明）量子方法将真正有效。”

有几次，研究人员认为他们已经做到了，发现量子算法可以比任何一台经典计算机更快地解决问题。但是有些人--通常是年轻的研究者 艾温唐 --发明出能够超越量子算法的聪明的经典算法。

包括普雷斯基尔在内的一组物理学家 找到了最好的候选人 为了量子优势。通过研究某些量子系统的能量，他们发现了一个具体而有用的问题，这个问题对于量子机器来说很容易回答，但是对于一个经典系统来说仍然很难回答。"这是量子算法理论的重大进展，"他说。 谢尔盖·布拉维伊 ，IBM的理论物理学家和计算机科学家。"他们的结果是一个与化学和材料科学相关的问题的量子优势。"

研究人员还兴奋地看到这项新的研究探索出人意料的物理科学新领域。崔说："这种新的能力（和舒尔的）在性质上有所不同，可能在量子算法的世界中开辟了许多新的机会。"


（约翰.普雷斯基尔长期以来一直在寻找量子优势的例子，这是量子计算机所做不到的。）

这个问题与量子系统（典型的原子）在不同能量状态下的性质有关。当原子在状态间跳跃时，它们的性质就会改变.例如，它们可能会发出一种特殊的光颜色，或者成为磁性。如果我们想更好地预测这个系统在不同能量状态下的属性，那么当这个系统处于最不兴奋的状态，科学家称之为基态时，它有助于我们理解它。

“许多化学家、材料科学家和量子物理学家正在努力寻找基态，”他说。他是谷歌量子人工智能的一位研究员和新论文的作者之一黄志强。“众所周知，这是极其困难的。”

在一个多世纪的工作之后，研究人员仍然没有找到一种有效的计算方法来从第一原则来确定一个系统的基态。量子计算机似乎也没有任何办法做到这一点。科学家们已经得出结论，发现一个系统的基态对于经典计算机和量子计算机来说都很困难。

但一些物理系统展示了更复杂的能源景观。当冷却时，这些复杂的系统不满足于它们的基态，而满足于附近的低能量水平，即所谓的局部最低能量水平。（2021 年诺贝尔物理学奖的一部分因在一套系统中所做的工作而被授予：旋转眼镜）研究人员开始怀疑，确定一个系统的局部最低能量水平是否也是一个普遍的难题。

答案从去年开始出现。陈智芳（安东尼）另一位最近发表论文的作者，帮助开发了量子算法，它可以模拟量子热力学（研究热、能和量子系统的工作）。“我认为很多人已经研究了量子系统中的能量景观的问题，但是以前没有分析它的工具，”黄说。“陈的算法帮助打开了这些系统如何运作的窗口。”

在看到这个新工具有多强大时，黄小周，这篇新论文的第四位也是最后一位作者，用它为量子计算机设计了一种方法来确定一个系统的局部最小能量状态，而不是追求理想的基态——这种方法专注于量子计算研究人员所寻求的那种问题。“现在我们有了一个问题：找到一个局部的能量量，这仍然是很难的经典，但我们可以说它很简单，”普雷斯基尔说。“因此，这使我们进入了我们希望获得量子优势的舞台。”


（罗伯特黄和普雷斯基尔帮助发现了一个似乎证明量子计算机的效用的问题：找到量子系统的局部最小能量水平。）

在普雷斯基尔的领导下，作者们不仅证明了他们确定系统局部最小能量状态的新方法的力量--量子物理学领域的主要进展--而且还证明了这是一个量子计算机能够展示其价值的问题。“找到局部最小值的问题具有量子优势，”黄说。

与以前的候选人不同，这一个可能不会被任何新的经典算法抛弃。“（它）不太可能被驱逐，”崔说。普雷斯基尔的团队做出了很有道理的假设，没有做出多少逻辑上的飞跃；如果一个经典的算法能够达到同样的结果，那就意味着物理学家一定在很多其他事情上都错了。“这将是一个令人震惊的结果，”崔说。“我看到它会很兴奋，但它会令人震惊，不敢相信。”这项新的研究提出了一个可以展示量子优势的可操作且有前途的候选人。

明确地说，新的结果在本质上仍然是理论性的。在实际量子计算机上演示这种新方法目前是不可能的。建立一个能够彻底测试问题的量子优势的机器需要时间。所以对布拉维伊来说，这项工作才刚刚开始。“如果你看看五年前发生的事情，我们只有几台量子计算机，现在我们已经有了数百台甚至1000台机器，”他说。“很难预测五年或十年后会发生什么。这是一个非常动态的领域。”