Физики из США смогли решить сложную задачу квантовой динамики, используя классический компьютер. Ранее считалось, что подобные вычисления под силу только квантовым вычислительным системам. Исследование провели специалисты Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Флэтайронского института при Фонде Саймонса совместно с коллегами из Бостонского университета. Метод оказался настолько эффективным, что часть расчетов удалось провести на обычном ноутбуке. Результаты работы опубликованы в журнале Science.
Ученые смоделировали поведение системы из сотен взаимодействующих кубитов – квантовых аналогов битов, – расположенных в виде различных решеток. Сложность таких симуляций связана с явлением квантовой запутанности, из-за которого состояния кубитов остаются взаимосвязанными. Поэтому систему нельзя описывать по частям, а приходится работать с единой волновой функцией. Объем данных, необходимых для ее описания, растет экспоненциально с увеличением числа частиц, быстро превышая возможности памяти любого классического компьютера.
Эта работа стала ответом на публикацию другой научной группы, которая в марте 2025 года в том же журнале Science заявила, что успешно смоделировала сложную кубитную систему на квантовом компьютере и что классические машины не способны повторить этот результат. Исследователи из CCQ восприняли это утверждение как вызов и возможность проверить собственные методы.
Чтобы обойти проблему экспоненциального роста данных, физики применили математический аппарат тензорных сетей. Этот подход позволяет сжать огромный объем информации, содержащийся в волновой функции, в компактную структуру данных, с которой уже могут работать обычные компьютеры. Один из авторов исследования сравнил этот процесс с архивацией данных в zip-файл. Расчеты проводили с помощью библиотеки программного обеспечения ITensor, разработанной в CCQ, а для части симуляций использовали алгоритм «распространения доверия», созданный еще в 1980-х годах.
Полученные результаты совпали как с теоретическими предсказаниями, так и с данными, которые ранее были получены с помощью квантового компьютера. Авторы подчеркивают, что их работа не опровергает пользу квантовых вычислений, а демонстрирует синергию двух подходов. Классическое моделирование может помогать в оценке возможностей квантовых устройств, а прогресс в создании последних, в свою очередь, стимулирует разработку новых классических алгоритмов. В дальнейшем группа планирует применить свои методы для моделирования более сложных систем, например, движущихся электронов, что имеет прямое отношение к изучению реальных квантовых материалов.
