Fiziklər klassik maşınların əli çatmayan çətin kvant fizikası problemini həll etmək üçün adi bir kompüterdən, qabaqcıl riyaziyyatdan və ixtisaslaşmış proqram təminatından istifadə ediblər.

İş Simons Fondunun Flatiron İnstitutunun Hesablama Kvant Fizikası Mərkəzinin (CCQ) tədqiqatçıları və Boston Universitetinin əməkdaşları tərəfindən aparılıb. Onların metodu bəzi hesablamaların şəxsi noutbukda işləməsi üçün kifayət qədər səmərəli olduğunu sübut edib.

Ənənəvi aparat təminatından daha çox hesablama gücü əldə etməklə, bu yanaşma alimlərin öyrənə biləcəyi kvant dinamikası problemlərinin spektrini genişləndirə bilər. Həmçinin, tədqiqatçıların bir çox mümkün həllər arasından ən yaxşı cavabı müəyyən etməli olduqları optimallaşdırma problemləri üçün faydalı bir strategiya təklif edə bilər.

Tapıntılar Science jurnalında dərc edilib .

Yüzlərlə qarşılıqlı təsir göstərən Kubitin simulyasiyası

Çətinlik, ənənəvi kompüterlər tərəfindən istifadə edilən bitlərin kvant analoqları olan yüzlərlə qarşılıqlı təsir göstərən “kubit”in modelləşdirilməsini əhatə edirdi. Kubitlər kvadrat, kub və ya romb formalı qəfəslərdə düzülmüşdü.

Ənənəvi bit ya 0, ya da 1 saxlayır. Lakin, kubit birdən çox halın superpozisiyasında mövcud ola bilər. Bu xüsusiyyət kvant sistemlərinə qeyri-adi imkanlar verir, eyni zamanda onların davranışlarını klassik kompüterdə təkrarlamağı olduqca çətinləşdirir.

2025-ci ilin mart ayında “Science” jurnalında da dərc olunmuş məqalədə başqa bir tədqiqat qrupu xüsusilə mürəkkəb bir qubit sisteminin dinamikasını hesablamaq üçün kvant kompüterindən istifadə etdiyini bildirdi. Həmin qrup klassik bir kompüterin bu nailiyyətə bərabər ola bilməyəcəyini iddia etdi.

“[CCQ-da] bu cür iddiaları görəndə həmişə bir az şübhə ilə yanaşırıq”, CCQ-də tədqiqatçı köməkçisi və yeni Elm məqaləsinin ilk müəllifi Cozef Tindall deyir. “Məsələn, ‘Bunu sınadınmı? Bunu sınadınmı?'”

CCQ tədqiqatçıları üçün bu iddia öz texnikalarının limitlərini sınamaq üçün inandırıcı bir yol təqdim etdi.

Tədqiqatın həmmüəllifi və CCQ tədqiqatçısı Miles Stoudenmire deyir ki, problem onların alətlərini “test üçün çıxarmaq” üçün bir fürsət oldu. Stoudenmire deyir: “Daha ixtiyari hədəf seçə bilərdik. Amma bu, “Niyə böyük bir iddiası olan birini seçməyək?” kimi bir şey idi.”

Kvant Dolaşıqlığının Çətinliyi

Ən böyük maneələrdən biri kvant dolaşıqlığı idi. Kubitlər dolaşdıqda, hətta kubitlər böyük məsafələrlə ayrıldıqda belə, onların xüsusiyyətləri bir-biri ilə əlaqəli olaraq qalır. Nəticədə, tədqiqatçılar hər bir kubiti müstəqil şəkildə modelləşdirə bilmirlər.

Bunun əvəzinə, bütün sistemi təsvir etmək üçün mürəkkəb alqoritmlərə ehtiyac var.

Tindall deyir ki, “Kvant fizikası ilə qarşılıqlı təsir göstərən çoxlu hissəcik olduqda, sistemin vəziyyətini təsvir edən bu dalğa funksiyası olur. Məhz bu nəhəng cisim daha çox hissəcik olduqda sürətlə böyüyür və daha da böyüyür.”

Dalğa funksiyası kvant sistemini təsvir etmək üçün lazım olan məlumatları ehtiva edir, lakin daha çox hissəcik əlavə olunduqca onun ölçüsü eksponensial olaraq artır.

Dalğa funksiyasının ölçüsü eksponensial olaraq böyüdükcə, “Mən onu birbaşa kompüterimdə saxlaya bilmirəm” deyir. Bu qədər nəhəng dalğa funksiyaları ilə işləmək kvant fizikasında təkrarlanan bir problemdir. Lakin bu hesablamalar kvant materiallarının, o cümlədən superkeçiricilərin davranışını proqnozlaşdırmaq üçün vacibdir.

Geniş Kvant Sisteminin Sıxılması

Tədqiqatçılar tensor şəbəkələrinə əsaslanan yeni alətlər hazırlayaraq tətbiq etməklə bu maneəni dəf etdilər. Bu riyazi strukturlar dalğa funksiyasında olan məlumatları daha səmərəli şəkildə idarə etmək üçün sıxışdırır.

Tindall bu yanaşmanı “bütün bu məlumatları götürdüyünüz və bir-biri ilə əlaqəli kiçik ədəd cədvəlləri ilə dolu bu riyazi məlumat strukturuna sıxışdırdığınız dalğa funksiyası üçün zip faylı” ilə müqayisə edir.

Bu sıxılma simulyasiyanı klassik kompüterlərdə idarəolunan hala gətirdi. Tindall ilk hesablamaların çoxunu CCQ-də yaradılan yüksək performanslı tensor şəbəkə proqram təminatı kitabxanası olan ITensor istifadə edərək noutbukda tamamladı.

Yeni simulyasiyalar həmçinin ITensor komandasının tensor texnikalarını yeni tip problemlər üçün necə uyğunlaşdırdığını nümayiş etdirir. Bu halda, tədqiqatçılar üçölçülü kvant dinamikasını 3D tensor şəbəkəsi ilə modelləşdiriblər.

“Məhz bu çox güclü sıxılma çox təsirli ola bilər, amma olduqca mürəkkəb riyazi obyektdir”, Tindall deyir. “Bu, həqiqətən də bir az sərhəddir, çünki bu obyektlərlə, xüsusən də üç ölçülü obyektlərlə işləmək çox çətin deyil. Onlarla işləmək üçün mürəkkəb kodlar və alqoritmlər lazımdır; bu, özlüyündə bir proqram təminatı mühəndisliyi problemidir.”

Köhnə Alqoritm Yeni İstifadə Tapır

Simulyasiyaların çoxu yalnız nisbətən təvazökar hesablama resursları tələb edirdi. İlkin hesablamalar üçün Tindall, tədqiqatçıların bu yaxınlarda kvant sistemləri üçün uyğunlaşdırdıqları 1980-ci illərdə hazırlanmış bir alqoritm olan inancların yayılması alqoritmindən istifadə etdi.

Stoudenmire deyir ki, “Bu, digər bəzi metodlarla müqayisədə bir az daha təxmini olsa da, daha ucuzdur və biz bunu daha çox çətin problemlər üzərində birbaşa tətbiq edə bilərik”.

O, bunu “sahəmizin keçmişindəki daha mürəkkəb metodlarla” müqayisə edir və “bu üçölçülü problemlərin bəziləri üçün hətta başlamağa belə imkan verməyəcəkdilər, çünki onlar çox böyükdürlər”.

Avadanlıqlar təvazökar olsa da, nəticələr ən müasir dəqiqlik səviyyələrinə çatdı. Simulyasiyalar nəzəri proqnozlarla uyğunlaşan və düzgün cavabların yoxlanıla biləcəyi kiçik problemlərdə yaxşı nəticə göstərən həllər yaratdı.

Ən əsası, nəticələr əvvəllər kvant kompüteri istifadə edilərək əldə edilən nəticələrlə üst-üstə düşdü. Fərq onda idi ki, yeni hesablamalar kvant avadanlığı tələb etmirdi.

Klassik və Kvant Hesablamaları Birlikdə İşləyə Bilər

Bu tapıntılar klassik hesablamanın harada bitdiyi və kvant üstünlüyünün harada başladığı ilə bağlı müzakirələri daha da artırır. Bununla belə, Tindall və Stoudenmire iki sahənin sadəcə bir-biri ilə rəqabət aparmadığını vurğulayırlar.

Klassik simulyasiyalar tədqiqatçılara kvant kompüterlərinin nələrə qadir olduğunu anlamağa kömək edə bilər, kvant aparatlarında irəliləyiş isə yeni klassik metodlara ilham verə bilər.

Tindall deyir: “Klassik və kvant hesablamaları müzakirəsinin yaxşı tərəfi odur ki, maraqlandığımız simulyasiya növləri ilə yazdığımız kodlar və bu kvant kompüterlərində nələrin həyata keçirilə biləcəyi arasında böyük bir sinerji var. Bu, bizə və kvant hesablama tədqiqatçılarına istiqamət verməyə kömək edə bilər, çünki açıq-aydın ki, müəyyən şeyləri simulyasiya etmək üçün giriş maneəsi onlardan daha asandır, çünki kvant kompüteri qurmağa ehtiyac yoxdur. Sadəcə bir az kod yazıb şəxsi kompüterimdə “çalışdır” düyməsini basa bilərəm.”

Növbəti Kvant Simulyasiya Çağırışı

Tədqiqatçılar hazırda yalnız kubitlərdən ibarət sistemlərdən kənara çıxan metodlar hazırlayırlar. Onların növbəti məqsədi müxtəlif sahələr arasında hərəkət edə bilən elektronları modelləşdirməkdir.

Bu sistemləri simulyasiya etmək xeyli çətindir, lakin onlar həm də real kvant materiallarını anlamaqla birbaşa əlaqəlidirlər.

Stoudenmire deyir: “Bunlar, həqiqətən də, kəmiyyət baxımından daha çətin problemlərdir. Beləliklə, bu, aradan qaldırmaq istədiyimiz növbəti böyük maneələrimizdən biridir.”