Analogni i digitalni kvantni simulatori

Najnoviji napredak u oblasti kvantnih računara pokazuje da smo sve bliže budućnosti u kojoj će oni moći da simuliraju fizičke pojave koje su previše složene čak i za najmoćnije superračunare.

Trka za razumevanje svemira na kvantnom nivou

Reč je o kvantnim simulacijama – pristupima koji koriste principe kvantne mehanike da bi istražili svet na njegovom najdubljem nivou. Dva pravca razvijaju se uporedo: analogne i digitalne kvantne simulacije. Iako se razlikuju po načinu rada, obe nude ogroman potencijal da razotkriju zakone prirode i otključaju nova saznanja u fizici, hemiji, materijalnim naukama i mnogim drugim disciplinama.

Zašto su nam potrebni kvantni simulatori?

Klasični računari, ma koliko snažni bili, nailaze na nepremostive prepreke kada pokušaju da modeluju kvantne sisteme. Broj mogućih stanja raste eksponencijalno sa svakim dodatnim kvantnim česticama u sistemu. To znači da čak i superračunari brzo dostižu granicu svojih mogućnosti. Kvantni računari, međutim, koriste iste principe koji vladaju u mikrosvetu – superpoziciju, isprepletanost i kvantne interakcije. Zato oni mogu prirodnije i efikasnije da „imitiraju“ kvantne sisteme. Na taj način omogućavaju naučnicima da istražuju pojave poput supravodljivosti, magnetizma ili hemijskih reakcija koje su do sada bile nedostupne preciznom modelovanju.

Analogna kvantna simulacija

Analogni kvantni simulatori funkcionišu tako što fizički repliciraju određeni sistem koristeći pažljivo kontrolisane kvantne čestice. Na primer, laserima se manipuliše atomima ili jonima tako da se ponašaju slično česticama u originalnom sistemu. Prednost ovog pristupa jeste što analogni simulatori mogu da obuhvate veoma složene pojave i pruže relativno brze uvide. Oni su već korišćeni da se proučavaju kvantni magnetizam, formiranje kristala ili dinamika izuzetno hladnih gasova. Međutim, analogna metoda ima i ograničenja. Budući da je vezana za specifične fizičke postavke, ona nije univerzalna. Drugim rečima, može vrlo precizno da simulira određene sisteme, ali nije lako prilagoditi je različitim problemima.

Digitalna kvantna simulacija

Digitalni kvantni simulatori, s druge strane, funkcionišu kao kvantni pandani klasičnih računara. Oni koriste kvantne bitove (kubite) i kvantne logičke operacije kako bi korak po korak gradili simulaciju željenog sistema. Njihova glavna prednost je univerzalnost. U teoriji, dovoljno moćan digitalni kvantni računar mogao bi da simulira bilo koji kvantni sistem. To otvara vrata ka širokoj primeni – od fundamentalne fizike do dizajna novih lekova i materijala. Izazov, međutim, leži u tehnologiji. Digitalni kvantni računari zahtevaju veliki broj stabilnih i precizno kontrolisanih kubita. Danas se radi na različitim arhitekturama – od supravodljivih krugova do jonskih zamki – ali još uvek nismo dostigli nivo pouzdanosti i skale koji bi omogućili potpuno iskorišćenje njihovog potencijala.

Trka između analognog i digitalnog

Umesto da se posmatraju kao suparnici, analogni i digitalni kvantni simulatori mogu se videti kao komplementarni putevi. Analogni sistemi već sada daju korisne rezultate u istraživačkim laboratorijama, dok digitalni obećavaju univerzalnu primenu u budućnosti. Naučnici širom sveta rade na unapređenju oba pristupa. U nekim slučajevima, rezultati dobijeni analognim simulacijama mogu poslužiti kao polazna tačka za razvoj algoritama namenjenih digitalnim kvantnim računarima. Tako se stvara sinergija koja ubrzava ukupni napredak.

Pogled u budućnost

Ako razvoj nastavi trenutnim tempom, kvantni simulatori mogli bi da donesu revoluciju u načinu na koji razumemo prirodu. Na primer:

• U hemiji, mogli bi da pruže precizne modele hemijskih reakcija i time ubrzaju razvoj novih lekova ili katalizatora.
• U fizici materijala, mogli bi da pomognu u otkrivanju novih oblika supravodljivosti ili jačih, lakših i energetski efikasnijih materijala.
• U fundamentalnoj nauci, mogli bi da pruže uvide u egzotična kvantna stanja i zakone koji upravljaju svemirom.

Trka između analognog i digitalnog kvantnog simuliranja nije borba „ili–ili“, već proces u kojem se oba pristupa dopunjuju i zajedno guraju granice našeg razumevanja. Svaki novi pomak približava nas svetu u kojem će kvantni računari postati nezaobilazni alat za nauku, tehnologiju i industriju.

Na horizontu se nazire budućnost u kojoj će pitanja koja danas izgledaju nerešiva – od misterija kosmosa do izazova u medicini – moći da dobiju odgovore zahvaljujući kvantnim simulacijama.

Izvor: Quantamagazine