Η έρευνα στους κβαντικούς υπολογιστές προχωρά με ταχείς ρυθμούς, ωστόσο οι σημερινές συσκευές εξακολουθούν να έχουν σημαντικούς περιορισμούς.
Για παράδειγμα, η διάρκεια ενός κβαντικού υπολογισμού είναι αυστηρά περιορισμένη από τον αριθμό των δυνατών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κβαντικών bits προτού εμφανιστεί κάποιο σοβαρό σφάλμα στο εξαιρετικά ευαίσθητο σύστημα. Για τον λόγο αυτό, είναι ζωτικής σημασίας οι υπολογιστικές λειτουργίες να διατηρούνται όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικές και λιτές.
Βασισμένοι στο παράδειγμα μιας κβαντικής προσομοίωσης, οι φυσικοί Guido Burkard και Joris Kattemölle από το Πανεπιστήμιο της Konstanz δείχνουν πώς η αξιοποίηση της συμμετρίας μειώνει δραματικά την απαιτούμενη υπολογιστική προσπάθεια. Χρησιμοποιούν επαναλαμβανόμενα μοτίβα στα κβαντικά συστήματα για να μειώσουν το υπολογιστικό κόστος κατά έναν παράγοντα χίλιες φορές ή και περισσότερο. Η μέθοδος δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters.
Επιτάχυνση των κβαντικών προσομοιώσεων
Μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές του κβαντικού υπολογιστή είναι η κβαντική προσομοίωση. Σε αυτήν τη διαδικασία, ο κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιείται για να προσομοιώσει ένα διαφορετικό, σύνθετο κβαντικό σύστημα – για παράδειγμα, στην έρευνα υλικών για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων νέων υλικών ή στη φαρμακευτική για την πρόβλεψη των αλληλεπιδράσεων νέων φαρμάκων.
Πριν ξεκινήσει ο πραγματικός υπολογισμός, απαιτείται ένα είδος προκαταρκτικού υπολογισμού. Σε αυτό το πρώτο βήμα, η δομή του κβαντικού συστήματος που πρόκειται να προσομοιωθεί χαρτογραφείται στη διάταξη των κβαντικών bits του υπολογιστή.
Το κβαντικό σύστημα αποτελείται συνήθως από ένα περιοδικό πλέγμα, όπου οι κόμβοι υποδεικνύουν τις πιθανές θέσεις σωματιδίων και οι ακμές απεικονίζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Ο κβαντικός υπολογιστής πρέπει να υπολογίσει πώς θα μεταφέρει αυτό το μοτίβο στην αρχιτεκτονική των δικών του bits, μια διαδικασία εξαιρετικά πολύπλοκη.
Η μέθοδος του μωσαϊκού
Αντί να υπολογίζουν κάθε μεμονωμένη θέση ξεχωριστά, οι Kattemölle και Burkard προτείνουν τη χρήση κανονικών, επαναλαμβανόμενων μοτίβων για την απλοποίηση της διαδικασίας.
Η μέθοδος μπορεί να παρομοιαστεί με την αντιγραφή ενός μωσαϊκού: αντί να μεταφέρετε το σχέδιο ψηφίδα-ψηφίδα, κάτι που θα ήταν επίπονο και χρονοβόρο, μπορείτε να πάρετε ένα χαρακτηριστικό τμήμα και απλώς να το επαναλάβετε. Με αυτόν τον τρόπο, τοποθετείτε μια ολόκληρη ομάδα στοιχείων με μία κίνηση, φτάνοντας στο ίδιο αποτέλεσμα πολύ πιο εύκολα.
Η μέθοδος αυτή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για κβαντικές προσομοιώσεις στον τομέα της επιστήμης των υλικών, όπου στερεά όπως οι κρύσταλλοι αποτελούνται από μια διάταξη ατόμων που επαναλαμβάνεται περιοδικά. Η διαδικασία λειτουργεί τόσο για δισδιάστατα όσο και για τρισδιάστατα ή συστήματα υψηλότερων διαστάσεων.
Μαθηματική απόδειξη και ανοιχτό λογισμικό
Το αποτέλεσμα της έρευνας περιλαμβάνει τη μαθηματική απόδειξη ότι η μέθοδος λειτουργεί για όλους τους τύπους περιοδικών δομών. Επιπλέον, οι ερευνητές παρέχουν ένα ελεύθερα διαθέσιμο λογισμικό (ανοιχτού κώδικα), το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά των μοτίβων των προσομοιωμένων κβαντικών bits στην αρχιτεκτονική των κβαντικών bits οποιουδήποτε υπολογιστή.
