Sebbene le “oscillazioni accoppiate” possano non sembrare familiari, sono ovunque in natura. Il termine “oscillatori armonici accoppiati” descrive sistemi interagenti di masse e molle, ma la loro utilità nella scienza e nell’ingegneria non finisce qui. Descrivono sistemi meccanici come i ponti, i legami tra gli atomi e persino gli effetti delle maree gravitazionali tra la Terra e la Luna. Comprendere tali problemi ci consente di sondare una gamma altrettanto vasta di sistemi, dalla chimica all’ingegneria, alla scienza dei materiali e oltre.
Classicamente rappresentati da un modello a sfera e molla, i sistemi oscillatori accoppiati diventano sempre più complessi man mano che vengono aggiunti più oscillatori. Con un nuovo algoritmo quantistico creato in parte dall’incaricato congiunto del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e dal professor Nathan Wiebe dell’Università di Toronto, la simulazione di sistemi di oscillatori accoppiati così complessi è ora più rapida ed efficiente. Questi risultati sono stati pubblicati in Revisione fisica X.
In collaborazione con i ricercatori di Google Quantum AI e della Macquarie University di Sydney, in Australia, Wiebe ha sviluppato un algoritmo per simulare sistemi di masse e molle accoppiate su computer quantistici. I ricercatori hanno poi fornito prove del vantaggio esponenziale del nuovo algoritmo rispetto agli algoritmi classici.
Questa accelerazione è stata resa possibile mappando la dinamica degli oscillatori accoppiati a un’equazione di Schrödinger, la controparte quantistica di un’equazione newtoniana classica. Da lì, il sistema potrebbe essere simulato utilizzando metodi hamiltoniani.
In sostanza, questo approccio consente agli scienziati di esprimere la dinamica degli oscillatori accoppiati utilizzando molti meno bit quantici rispetto ai metodi tradizionali. I ricercatori possono quindi simulare il sistema utilizzando un numero esponenzialmente inferiore di operazioni.
Forse l’aspetto più intrigante del loro lavoro nasce dalla questione se questo algoritmo offra davvero un’accelerazione esponenziale rispetto a tutti i possibili algoritmi ordinari. Innanzitutto, gli autori hanno dimostrato che questo algoritmo funziona in entrambi i modi: che gli oscillatori armonici accoppiati possono essere utilizzati per simulare un computer quantistico arbitrario.
Ciò significa che, ad alto livello, sistemi molto grandi di masse e molle interagenti possono contenere al loro interno una potenza di calcolo equivalente a un computer quantistico.
In secondo luogo, gli autori hanno considerato i vincoli teorici relativi al calcolo di queste dinamiche. Se esistesse un modo per simulare queste dinamiche in tempo polinomiale sui computer esistenti, i ricercatori potrebbero costruire un metodo più veloce per simulare i computer quantistici. Tuttavia, ciò dimostrerebbe che i computer quantistici essenzialmente non sono più potenti dei computer classici.
Le prove accumulate nel corso degli anni mostrano che è eccezionalmente improbabile che i computer classici siano qualitativamente potenti quanto i computer quantistici. Pertanto, questo lavoro fornisce un’argomentazione convincente sul fatto che questo algoritmo consente un’accelerazione esponenziale, nonché una chiara dimostrazione di un legame nuovo e sottile tra la dinamica quantistica e l’umile oscillatore armonico.
"Sono state sviluppate pochissime nuove classi di accelerazioni esponenziali dimostrabili dei calcoli classici", ha affermato Wiebe. “Il nostro lavoro fornisce un vantaggio computazionale significativo per un’ampia gamma di problemi di ingegneria, neuroscienza e chimica”.