Η κβαντική υπεροχή συνάντησε πρόσφατα έναν αναπάντεχο αντίπαλο: έναν κοινό φορητό υπολογιστή εξοπλισμένο με εξελιγμένα μαθηματικά εργαλεία. Χρησιμοποιώντας έναν συμβατικό υπολογιστή, προηγμένο κώδικα και καινοτόμες μαθηματικές μεθόδους, φυσικοί από το Κέντρο Υπολογιστικής Κβαντικής Φυσικής (CCQ) του Flatiron Institute του Ιδρύματος Simons, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, έλυσαν ένα εξαιρετικά περίπλοκο πρόβλημα κβαντικής φυσικής. Το συγκεκριμένο πρόβλημα είχε θεωρηθεί στο παρελθόν επιλύσιμο αποκλειστικά και μόνο από κβαντικούς υπολογιστές.
Κβαντικότητα και υπολογιστές
Η νέα τεχνική αποδείχθηκε τόσο αποτελεσματική που οι ερευνητές κατάφεραν να πραγματοποιήσουν τους υπολογισμούς σε έναν προσωπικό laptop. Η συγκεκριμένη ανακάλυψη επιτρέπει στους επιστήμονες να αντλούν επιπλέον υπολογιστική ισχύ από τους κλασικούς υπολογιστές, ανοίγοντας νέους δρόμους για την έρευνα στην κβαντική δυναμική. Παράλληλα, μπορεί να χρησιμεύσει ως πρωτόκολλο για την εύρεση βέλτιστων λύσεων σε σύνθετα προβλήματα με πληθώρα πιθανών επιλογών.
Η επιστημονική ομάδα δημοσίευσε τα ευρήματά της στο έγκριτο περιοδικό Science. Το ζήτημα που κλήθηκαν να αντιμετωπίσουν αφορούσε την προσομοίωση ενός κβαντικού συστήματος αποτελούμενου από εκατοντάδες αλληλεπιδρώντα «κβαντικά ψηφία» (qubits) – το κβαντικό ανάλογο των bit που χρησιμοποιούν οι κλασικοί υπολογιστές – διατεταγμένα σε τετραγωνικά, κυβικά ή διαμαντοειδή πλέγματα. Ενώ τα παραδοσιακά bit μπορούν να έχουν τιμές μόνο 0 ή 1, τα qubits μπορούν να υπάρχουν σε μια υπέρθεση πολλαπλών τιμών ταυτόχρονα, γεγονός που καθιστά την προσομοίωση της δυναμικής τους από συμβατικά συστήματα μια τεράστια πρόκληση.
Η αμφισβήτηση των κβαντικών ισχυρισμών
Σε άρθρο που δημοσιεύθηκε επίσης στο Science τον Μάρτιο του 2025, μια ομάδα ερευνητών κβαντικής υπολογιστικής είχε αναφέρει ότι υπολόγισε τη δυναμική ενός ιδιαίτερα περίπλοκου συστήματος qubits με τη χρήση κβαντικού υπολογιστή. Μάλιστα, είχαν ισχυριστεί ότι το συγκεκριμένο επίτευγμα ήταν αδύνατο να αναπαραχθεί από κλασικούς υπολογιστές.
«Όταν βλέπουμε τέτοιους ισχυρισμούς στο CCQ, είμαστε πάντα λίγο σκεπτικοί», αναφέρει ο Joseph Tindall, συνεργάτης ερευνητής στο CCQ και πρώτος συγγραφέας της νέας μελέτης. «Αναρωτιόμαστε πάντα αν δοκίμασαν τη μία ή την άλλη μέθοδο».
Το συγκεκριμένο πρόβλημα αποτέλεσε την τέλεια ευκαιρία για να δοκιμάσουν τα εργαλεία τους στην πράξη, προσθέτει ο Miles Stoudenmire, ερευνητής του CCQ και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Θα μπορούσαμε να είχαμε επιλέξει έναν πιο τυχαίο στόχο. Αλλά σκεφτήκαμε: Γιατί να μην επιλέξουμε αυτόν που συνοδεύεται από έναν τόσο μεγάλο ισχυρισμό;».
Γιατί η προσομοίωση πολλών qubits είναι δύσκολη
Το εγχείρημα ήταν ιδιαίτερα απαιτητικό λόγω του φαινομένου της κβαντικής διεμπλοκής (quantum entanglement). Αυτό σημαίνει ότι τα qubits δεν μπορούν να εξεταστούν μεμονωμένα, ακόμη και όταν βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Αυτή η διασύνδεση απαιτεί εξελιγμένους αλγορίθμους για να αντιμετωπιστεί.
«Όταν έχεις πολλά σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω της κβαντικής φυσικής, υπάρχει μια κυματοσυνάρτηση που περιγράφει την κατάσταση του συστήματος», εξηγεί ο Tindall. «Πρόκειται για ένα τεράστιο μαθηματικό αντικείμενο που μεγαλώνει εκθετικά όσο προστίθενται σωματίδια. Λόγω του μεγέθους του, είναι αδύνατο να αποθηκευτεί απευθείας σε έναν υπολογιστή».
Η διαχείριση αυτών των τεράστιων κυματοσυναρτήσεων αποτελεί κοινή πρόκληση στην κβαντική φυσική, αλλά είναι απαραίτητη για εργασίες όπως η πρόβλεψη των ιδιοτήτων κβαντικών υλικών, για παράδειγμα των υπεραγωγών.
Τα τανυστικά δίκτυα ως ισχυρή μέθοδος συμπίεσης
Η ομάδα του CCQ πέτυχε τη σημαντική αυτή εξέλιξη αναπτύσσοντας και εφαρμόζοντας νέα εργαλεία βασισμένα στα τανυστικά δίκτυα (tensor networks). Ο Tindall παρομοιάζει τη μέθοδο αυτή με «ένα αρχείο zip για την κυματοσυνάρτηση, όπου παίρνεις όλη αυτή την πληροφορία και τη συμπιέζεις σε μια μαθηματική δομή δεδομένων γεμάτη από μικρούς, αλλησυνδεόμενους πίνακες αριθμών».
Τα τανυστικά δίκτυα κατέστησαν το πρόβλημα διαχειρίσιμο για τους κλασικούς υπολογιστές. Ο Tindall πραγματοποίησε πολλούς από τους αρχικούς υπολογισμούς σε έναν φορητό υπολογιστή χρησιμοποιώντας κώδικα από μια βιβλιοθήκη λογισμικού τανυστικών δικτύων υψηλής απόδοσης που αναπτύχθηκε στο CCQ, η οποία ονομάζεται ITensor. Οι προσομοιώσεις αυτές αποτυπώνουν την τρισδιάστατη δυναμική χρησιμοποιώντας ένα τρισδιάστατο τανυστικό δίκτυο.
«Πρόκειται για μια εξαιρετικά ισχυρή συμπίεση που μπορεί να είναι πολύ αποτελεσματική, αλλά αποτελεί ένα αρκετά περίπλοκο μαθηματικό αντικείμενο», αναφέρει ο Tindall. «Αυτό είναι πραγματικά ένα νέο σύνορο, επειδή η εργασία με αυτά τα αντικείμενα – ειδικά σε τρεις διαστάσεις – είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητη. Απαιτούνται εξελιγμένοι κώδικες και αλγόριθμοι, κάτι που αποτελεί πρόκληση από μόνο του για τη μηχανική λογισμικού».
Επόμενος στόχος: Ακόμα πιο δύσκολα προβλήματα
Η ομάδα συνεχίζει να εξελίσσει το έργο της αναπτύσσοντας εργαλεία που ξεπερνούν τα συστήματα qubits, στοχεύοντας σε προβλήματα που αφορούν ηλεκτρόνια τα οποία μπορούν να μετακινηθούν μεταξύ διαφορετικών θέσεων. Πρόκειται για μια ακόμα μεγαλύτερη πρόκληση, η οποία συνδέεται άμεσα με την προσομοίωση κβαντικών υλικών.
«Αυτά είναι, ποσοτικά, πολύ πιο δύσκολα προβλήματα», καταλήγει ο Stoudenmire. «Επομένως, αυτός είναι ένας από τους επόμενους μεγάλους στόχους που θέλουμε να επιτύχουμε».