Nová „fyzikální zkratka“ umožňuje notebookům řešit kvantové problémy, které byly dříve vyhrazeny pro superpočítače a AI
Fyzici vyvinuli způsob modelování kvantové systémy na běžných počítačích, což usnadňuje spouštění složitých simulací bez spoléhání se na superpočítače popř umělá inteligence (AI) nástroje.
Nová metoda aktualizuje „zkrácenou Wignerovu aproximaci“ (TWA), desetiletí starou techniku pro aproximaci kvantového chování, na zkratku plug-and-play pro řešení složitých výpočtů.
„Náš přístup nabízí výrazně nižší výpočetní náklady a mnohem jednodušší formulaci dynamických rovnic,“ spoluautor studie Jamír Marinoodborný asistent fyziky na State University of New York v Buffalu, řekl v a prohlášení. „Myslíme si, že tato metoda by se mohla v blízké budoucnosti stát primárním nástrojem pro zkoumání těchto druhů kvantové dynamiky na počítačích spotřebitelské úrovně.“
Moderní rotace na poloklasiku
TWA, která byla poprvé vyvinuta v 70. letech 20. století, je „poloklasická“ simulační metoda používaná k predikci kvantového chování.
Kvantové systémy se řídí pravidly kvantová mechanika a typicky zahrnují částice v nemožně malých měřítcích. Na této úrovni jsou fenomény jako koherence a zapletení vytvářet efekty, které nelze plně vysvětlit samotnou klasickou fyzikou.
Protože tyto efekty generují obrovské množství možných výsledků, jejich simulace často vyžaduje masivní výpočetní výkon – např. superpočítač clustery nebo sítě AI. Aby se kvantová dynamika snadněji studovala na konvenčním hardwaru, fyzici často používají teoretický rámec nazývaný semiklasická fyzika.
Semiklasická fyzika zahrnuje zpracování částí kvantové rovnice optikou kvantové mechaniky a dalších částí klasickou fyzikou, což umožňuje výzkumníkům přiblížit se, jak by se kvantový systém mohl chovat v průběhu času.
TWA funguje tak, že transformuje kvantový problém do více, zjednodušených klasických výpočtů, z nichž každý začíná malým množstvím statistického „šumu“, který zohledňuje inherentní nejistotu kvantové mechaniky. Spuštěním těchto zjednodušených výpočtů a zprůměrováním výsledků získají vědci dostatečný obrázek o tom, jak by se kvantový problém projevil.
TWA byl však původně vyvinut pro „idealizované“ kvantové systémy, které jsou zcela izolované od vnějších sil. Díky tomu je matematika mnohem lépe ovladatelná, protože předpokládá, že se systém vyvíjí bez rušení.
Ve skutečnosti jsou kvantové systémy často otevřené a vystavené vnějšímu rušení. Částice ztrácejí nebo absorbují energii nebo postupně ztrácejí koherenci, jak interagují se svým okolím. Tyto efekty, souhrnně známé jako disipativní dynamikaspadají mimo rámec konvenčních TWA a činí mnohem obtížnější předvídat chování kvantových systémů.
Výzkumníci tento problém vyřešili rozšířením TWA na zvládnutí Lindbladovy mistrovské rovnice — široce používaný matematický rámec pro modelování rozptylu v „otevřených“ kvantových systémech. Aktualizovanou metodu pak zabalili do „praktické, uživatelsky přívětivé šablony“, která slouží jako převodní tabulka, umožňující fyzikům zapojit problém a získat použitelné rovnice během několika hodin.
„Před námi se o to pokusilo mnoho skupin,“ řekl Marino. „Je známo, že určité komplikované kvantové systémy by mohly být efektivně vyřešeny semiklasickým přístupem. Skutečnou výzvou však bylo zpřístupnit to a snadno udělat.“
Aktualizovaná technika také umožňuje opakované použití TWA. Namísto toho, aby museli pro každý nový problém znovu budovat základní matematiku od nuly, mohou fyzici zadat parametry svého systému do aktualizovaného rámce a přímo je použít. To snižuje bariéru vstupu a výrazně urychluje matematiku, řekl tým.
„Fyzici se mohou tuto metodu naučit v podstatě za jeden den a asi třetí den už řeší některé z nejsložitějších problémů, které ve studii představujeme,“ spoluautor studie Oksana Chelpanováuvedl v prohlášení doktorand na univerzitě v Buffalu.
