Meskipun “osilasi berpasangan” mungkin terdengar asing, namun hal ini terjadi di mana-mana di alam. Istilah “osilator harmonik berpasangan” menggambarkan sistem interaksi massa dan pegas, namun kegunaannya dalam sains dan teknik tidak hanya sampai di situ. Mereka menggambarkan sistem mekanis seperti jembatan, ikatan antar atom, dan bahkan efek pasang surut gravitasi antara Bumi dan bulan. Memahami masalah-masalah tersebut memungkinkan kita untuk menyelidiki sejumlah besar sistem mulai dari kimia, teknik, ilmu material, dan seterusnya.
Secara klasik diwakili oleh model bola dan pegas, sistem osilasi berpasangan menjadi semakin kompleks seiring dengan semakin banyaknya osilator yang ditambahkan. Dengan algoritma kuantum baru yang sebagian dibuat oleh orang yang ditunjuk bersama oleh Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) dan Profesor Nathan Wiebe dari Universitas Toronto, simulasi sistem osilator berpasangan kompleks tersebut kini menjadi lebih cepat dan efisien. Hasil ini dipublikasikan di Ulasan Fisik X.
Bermitra dengan peneliti dari Google Quantum AI dan Macquarie University di Sydney, Australia, Wiebe mengembangkan algoritme untuk mensimulasikan sistem massa dan pegas berpasangan pada komputer kuantum. Para peneliti kemudian memberikan bukti keunggulan eksponensial algoritma baru dibandingkan algoritma klasik.
Percepatan ini dimungkinkan dengan memetakan dinamika osilator yang digabungkan ke persamaan Schrödinger— padanan kuantum dari persamaan Newton klasik. Dari sana, sistem dapat disimulasikan menggunakan metode Hamilton.
Intinya, pendekatan ini memungkinkan para ilmuwan untuk mengekspresikan dinamika osilator berpasangan menggunakan bit kuantum yang jauh lebih sedikit dibandingkan metode tradisional. Peneliti kemudian dapat mensimulasikan sistem menggunakan operasi yang jauh lebih sedikit.
Mungkin aspek yang paling menarik dari pekerjaan mereka muncul dari pertanyaan apakah algoritma ini memang menawarkan percepatan eksponensial dibandingkan semua kemungkinan algoritma biasa. Pertama, penulis menunjukkan bahwa algoritma ini bekerja dua arah: bahwa osilator harmonik yang digabungkan dapat digunakan untuk mensimulasikan komputer kuantum yang berubah-ubah.
Artinya, pada tingkat tinggi, sistem interaksi massa dan pegas yang sangat besar dapat memuat daya komputasi yang setara dengan komputer kuantum.
Kedua, penulis mempertimbangkan batasan teoretis dalam menghitung dinamika ini. Jika terdapat cara untuk mensimulasikan dinamika ini dalam waktu polinomial pada komputer yang ada, maka peneliti dapat membangun metode yang lebih cepat untuk mensimulasikan komputer kuantum. Namun, ini membuktikan bahwa komputer kuantum pada dasarnya tidak lebih kuat dari komputer klasik.
Bukti yang dikumpulkan selama bertahun-tahun menunjukkan bahwa sangat kecil kemungkinannya bahwa komputer klasik memiliki kekuatan yang sama dengan komputer kuantum. Dengan demikian, karya ini memberikan argumen yang meyakinkan bahwa algoritma ini memberikan percepatan eksponensial serta demonstrasi yang jelas tentang hubungan baru dan halus antara dinamika kuantum dan osilator harmonik yang sederhana.
“Sangat sedikit kelas baru yang mampu mempercepat perhitungan klasik secara eksponensial yang telah dikembangkan,” kata Wiebe. “Pekerjaan kami memberikan keuntungan komputasi yang signifikan untuk berbagai masalah di bidang teknik, ilmu saraf, dan kimia.”