Учёные Калифорнийского технологического института и Центра квантовых вычислений AWS разработали квантовый алгоритм, способный эффективно находить локальные минимумы в квантовых многочастичных системах. Это достижение может значительно ускорить решение сложных вычислительных задач в области материаловедения, химии и физики.

Поиск состояния с минимальной энергией в системах со множеством взаимодействующих квантовых частиц традиционно считается сложной задачей как для классических, так и для квантовых компьютеров. Когда такая система помещается в термическую среду с фиксированной температурой, она охлаждается, но не всегда достигает абсолютного минимума энергии. Вместо этого система может «застрять» в локальном минимуме – состоянии, где её энергия ниже, чем у соседних состояний, но не является минимально возможной.

Исследователи объединили подходы из трёх различных областей физики: изучение локальных минимумов, разработка квантовых алгоритмов оптимизации и последние достижения квантовой термодинамики.

«Мы задались вопросом: стоит ли квантовым теоретикам фокусироваться исключительно на поиске глобальных минимумов, если они часто физически недостижимы из-за вычислительной сложности?» – поясняет Хсин-Юань Хуанг, один из ведущих авторов исследования.

Команда формализовала естественный процесс охлаждения квантовых систем и разработала квантовый алгоритм термического градиентного спуска. Этот алгоритм позволяет квантовому компьютеру эффективно находить локальные минимумы, имитируя природные процессы охлаждения. Исследователи доказали, что данная задача сложна для классических компьютеров, но относительно проста для квантовых систем.

Важным техническим достижением стало доказательство того, что некоторые классически сложные гамильтонианы не имеют субоптимальных локальных минимумов. Для этого были использованы конструкции из теории квантовой сложности и сложные математические инструменты для анализа влияния термических возмущений на энергетический ландшафт системы.

Результаты исследования показали, что после достижения классическими алгоритмами своего «лучшего» решения, квантовый алгоритм способен находить состояния с ещё более низкой энергией. Это открывает новые возможности для понимания и управления квантовыми многочастичными системами.

В дальнейшем учёные планируют провести экспериментальную демонстрацию своего метода на существующих квантовых устройствах и исследовать возможность создания синтетических квантовых процессов, превосходящих естественные возможности охлаждения квантовых систем.