Walaupun "ayunan berganding" mungkin tidak terdengar biasa, ia berlaku di mana-mana sahaja. Istilah "pengayun harmonik berganding" menerangkan sistem interaksi jisim dan mata air, tetapi kegunaannya dalam sains dan kejuruteraan tidak berakhir di situ. Mereka menerangkan sistem mekanikal seperti jambatan, ikatan antara atom, dan juga kesan pasang surut graviti antara Bumi dan bulan. Memahami masalah sedemikian membolehkan kami menyiasat rangkaian sistem yang sama besar daripada kimia kepada kejuruteraan kepada sains bahan dan seterusnya.
Secara klasik diwakili oleh model bola dan spring, sistem ayunan berganding menjadi semakin kompleks apabila lebih banyak pengayun ditambah. Dengan algoritma kuantum baharu yang dicipta sebahagiannya oleh pegawai lantikan bersama Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) dan Profesor Nathan Wiebe Universiti Toronto, mensimulasikan sistem pengayun berganding kompleks sedemikian kini lebih pantas dan lebih cekap. Keputusan ini diterbitkan dalam Kajian Fizikal X.
Bekerjasama dengan penyelidik dari Google Quantum AI dan Macquarie University di Sydney, Australia, Wiebe membangunkan algoritma untuk mensimulasikan sistem jisim dan spring berganding pada komputer kuantum. Para penyelidik kemudian memberikan bukti kelebihan eksponen algoritma baharu berbanding algoritma klasik.
Kelajuan ini dimungkinkan dengan memetakan dinamik pengayun berganding kepada persamaan Schrödinger—rakan sejawatan kuantum kepada persamaan Newtonian klasik. Dari situ, sistem boleh disimulasikan menggunakan kaedah Hamiltonian.
Pada dasarnya, pendekatan ini membolehkan para saintis menyatakan dinamika pengayun berganding menggunakan bit kuantum yang jauh lebih sedikit daripada kaedah tradisional. Penyelidik kemudiannya boleh mensimulasikan sistem menggunakan operasi yang lebih sedikit secara eksponen.
Mungkin aspek yang paling menarik dalam kerja mereka timbul daripada persoalan sama ada algoritma ini sememangnya menawarkan kelajuan eksponen ke atas semua kemungkinan algoritma biasa. Pertama, pengarang menunjukkan bahawa algoritma ini berfungsi dalam kedua-dua cara: pengayun harmonik yang digabungkan boleh digunakan untuk mensimulasikan komputer kuantum sewenang-wenangnya.
Ini bermakna, pada tahap yang tinggi, sistem yang sangat besar bagi jisim dan spring yang berinteraksi boleh mengandungi di dalamnya kuasa pengiraan yang setara dengan komputer kuantum.
Kedua, penulis mempertimbangkan kekangan teori di sekitar mengira dinamik ini. Sekiranya wujud cara untuk mensimulasikan dinamik ini dalam masa polinomial pada komputer sedia ada, maka penyelidik boleh membina kaedah yang lebih pantas untuk mensimulasikan komputer kuantum. Walau bagaimanapun, ini akan membuktikan bahawa komputer kuantum pada dasarnya tidak lebih berkuasa daripada komputer klasik.
Bukti terkumpul selama bertahun-tahun menunjukkan bahawa sangat tidak mungkin komputer klasik secara kualitatif sekuat komputer kuantum. Oleh itu, kerja ini memberikan hujah yang meyakinkan bahawa algoritma ini memberikan kelajuan eksponen serta demonstrasi yang jelas tentang hubungan novel dan halus antara dinamik kuantum dan pengayun harmonik yang sederhana.
"Sangat sedikit kelas baharu bagi mempercepatkan eksponen pengiraan klasik yang boleh dibuktikan telah dibangunkan," kata Wiebe. "Kerja kami memberikan kelebihan pengiraan yang ketara kepada pelbagai masalah dalam kejuruteraan, neurosains dan kimia."