مسئله‌ای جدید که فقط محاسبات کوانتومی میتواند آن را حل کند
عنوان خبر: مسئله‌ای جدید که فقط محاسبات کوانتومی میتواند آن را حل کند
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، برتری کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 28 مه 2025
لینک خبر: lanl.gov
چکیده:
پژوهشگران یک مسئله‌ی جدید شناسایی کرده‌اند که رایانه‌های کوانتومی میتوانند آن را بسیار کارآمدتر از رایانه‌های کلاسیک حل کنند، و بدین ترتیب فهرست اندک مسائل دارای “برتری کوانتومی” را گسترش داده‌اند. این مطالعه چارچوبی برای شبیه‌سازی مدارهای بوزونی گوسی (GB) — سیستم‌های نوری پیچیده — بر روی دستگاه‌های کوانتومی ارائه میدهد. تیم تحقیقاتی با کدگذاری ویژگی‌های این سیستم‌ها در حالت‌های کیوبیتی، نشان دادند که شبیه‌سازی‌هایی کارآمد و در عین حال غیرقابل حل توسط رایانه‌های کلاسیک امکان‌پذیر است. آن‌ها ثابت کردند که این مسئله از نوع BQP-complete است، به این معنا که قدرت محاسباتی کامل محاسبات کوانتومی را نشان میدهد. همچنین، آن‌ها موفق به شبیه‌سازی یک تداخل‌سنج نوری با بیش از ۸ میلیارد مُد شدند که مقیاس‌پذیری روششان را اثبات کرده و گامی مهم در جهت تحقق برتری عملی رایانه‌های کوانتومی در شبیه‌سازی سیستم‌های فیزیکی واقعی محسوب میشود.
شرح کامل خبر:
در یک پیشرفت نظری قابل توجه برای رایانش کوانتومی، پژوهشگران آزمایشگاه ملی Los Alamos موفق شده‌اند کلاس جدیدی از مسائل را شناسایی کنند که رایانه‌های کوانتومی در حل آن‌ها نسبت به سیستم‌های کلاسیک برتری محاسباتی اثبات‌پذیری دارند. این کشف که اخیراً در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است، به یکی از بنیادی‌ترین پرسش‌های حوزه رایانش کوانتومی پاسخ میدهد: کدام مسائل را می‌توان با رایانه‌های کوانتومی بسیار سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک حل کرد؟ تاکنون تنها تعداد اندکی از چنین مسائل به‌طور رسمی شناسایی شده‌اند، و اکنون تیم لس‌آلاموس این فهرست کوتاه را با تمرکز بر شبیه‌سازی مدارهای بوزونی گوسی (Gaussian Bosonic) گسترش داده‌اند—سیستم‌هایی با انگیزه فیزیکی که شباهت نزدیکی به آزمایش‌های نوری با پرتوشکن‌ها و تغییر‌دهنده‌های فاز دارند.
پژوهشگران چارچوبی جدید ارائه داده‌اند که امکان شبیه‌سازی مدارهای GB را با استفاده از یک رایانه کوانتومی با n+1 کیوبیت فراهم می‌کند؛ در حالی که این رایانه بر روی سیستمی با 2 به توان n مُد بوزونی عمل می‌کند. نوآوری کلیدی این کار، رمزگذاری مقادیر چشم داشت و ماتریس کوواریانس حالت اولیه بوزونی در یک رجیستر کوانتومی و سپس تکامل آن از طریق مدار کوانتومی است که تبدیلات سیمپلکتیک ناشی از گیت‌های GB را پیاده‌سازی می‌کند. آن‌ها نگاشتی میان گیت‌های بوزونی و گیت‌های کیوبیتی ارائه دادند: گیت‌های بوزونی حفظ‌کننده‌ی ذرات به تحولات زمانی واقعی و گیت‌های غیرحفظ‌کننده به تحولات زمانی موهومی نگاشته می‌شوند.
یکی از نتایج بسیار مهم این پژوهش، شناسایی یک مسئله‌ی تصمیم‌گیری BQP-کامل مبتنی بر مدارهای GB است. کلاس BQP (Bounded-error Quantum Polynomial time) شامل مسائلی است که رایانه‌های کوانتومی میتوانند در زمان چندجمله‌ای و با احتمال خطای محدود حل کنند. اثبات این‌که شبیه‌سازی GB در این کلاس قرار دارد و BQP-کامل است، به این معناست که هر مسئله‌ی دیگری در این کلاس را می‌توان به آن نگاشت؛ بنابراین این مسئله به‌عنوان یک مسئله نماینده در قلب توان محاسباتی کوانتومی شناخته میشود، همان‌طور که تجزیه‌ی اعداد اول نقشی کلیدی در رمزنگاری RSA در رایانش کلاسیک دارد.
برای اعتبارسنجی عملی این چارچوب، تیم لس‌آلاموس شبیه‌سازی عددی یک تداخل‌سنج نوری با حدود ۸ میلیارد مُد بوزونی را انجام دادند—مقیاسی که به‌هیچ‌وجه برای رایانه‌های کلاسیک قابل دسترسی نیست، نه از لحاظ حافظه و نه از لحاظ زمان پردازش. با این حال، آن‌ها نشان دادند که با چارچوب پیشنهادی‌شان می‌توان این شبیه‌سازی را به‌صورت کارآمد روی سخت‌افزارهای کوانتومی آینده انجام داد.
این پژوهش نه‌تنها مسئله جدیدی را به مجموعه مسائل BQP-کامل افزود، بلکه به طور جدی این استدلال را تقویت کرد که رایانش کوانتومی میتواند در شبیه‌سازی سیستم‌های فیزیکی پیچیده—از جمله در اپتیک کوانتومی، شیمی کوانتومی، و حتی فیزیک انرژی بالا—مزیت واقعی داشته باشد. افزون بر این، با توجه به آن‌که این روش‌ها ریشه در تنظیمات آزمایشگاهی واقعی دارند، این تحقیق به‌خوبی با پیشرفت‌های عملی در رایانش کوانتومی فوتونیکی همسو است.
منابع:
[1] https://www.https://www.lanl.gov/media/news/0528-quantum-computing/media/news/0528-quantum-computing
[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.070604
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
