แม้ว่า “การแกว่งควบคู่” อาจฟังดูไม่คุ้นเคย แต่ก็มีอยู่ทุกหนทุกแห่งในธรรมชาติ คำว่า “ออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิกคู่” อธิบายถึงระบบที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างมวลและสปริง แต่ประโยชน์ใช้สอยในด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ไม่ได้จบเพียงแค่นั้น พวกเขาอธิบายถึงระบบกลไกเช่นสะพาน พันธะระหว่างอะตอม และแม้แต่ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงระหว่างโลกกับดวงจันทร์ การทำความเข้าใจปัญหาดังกล่าวช่วยให้เราสามารถตรวจสอบระบบต่างๆ มากมายตั้งแต่เคมี วิศวกรรม ไปจนถึงวัสดุศาสตร์และอื่นๆ อีกมากมาย
รูปแบบคลาสสิกแสดงด้วยแบบจำลองลูกบอลและสปริง ระบบออสซิลเลเตอร์คู่จะซับซ้อนมากขึ้นเมื่อมีการเพิ่มออสซิลเลเตอร์มากขึ้น ด้วยอัลกอริธึมควอนตัมใหม่ที่สร้างขึ้นโดยผู้ได้รับการแต่งตั้งร่วมของ Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) และศาสตราจารย์ Nathan Wiebe จากมหาวิทยาลัยโตรอนโต การจำลองระบบออสซิลเลเตอร์คู่ที่ซับซ้อนเช่นนี้จึงเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ผลลัพธ์เหล่านี้ถูกเผยแพร่ใน การทบทวนทางกายภาพ X.
Wiebe ร่วมมือกับนักวิจัยจาก Google Quantum AI และมหาวิทยาลัย Macquarie ในซิดนีย์ ประเทศออสเตรเลีย โดยได้พัฒนาอัลกอริทึมสำหรับจำลองระบบมวลและสปริงควบคู่บนคอมพิวเตอร์ควอนตัม จากนั้นนักวิจัยได้ให้หลักฐานเกี่ยวกับความได้เปรียบแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลของอัลกอริธึมใหม่เหนืออัลกอริธึมแบบคลาสสิก
การเร่งความเร็วนี้เกิดขึ้นได้โดยการแมปไดนามิกของออสซิลเลเตอร์คู่กับสมการชโรดิงเงอร์ ซึ่งเป็นคู่ควอนตัมกับสมการนิวตันแบบดั้งเดิม จากนั้นระบบสามารถจำลองได้โดยใช้วิธีแฮมิลตัน
โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถแสดงพลวัตของออสซิลเลเตอร์คู่โดยใช้ควอนตัมบิตน้อยกว่าวิธีการแบบเดิมมาก นักวิจัยสามารถจำลองระบบโดยใช้การดำเนินการน้อยลงแบบทวีคูณ
บางทีแง่มุมที่น่าสนใจที่สุดของงานของพวกเขาอาจเกิดขึ้นจากคำถามที่ว่าอัลกอริทึมนี้ให้การเร่งความเร็วแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลเหนืออัลกอริธึมทั่วไปที่เป็นไปได้ทั้งหมดหรือไม่ ขั้นแรก ผู้เขียนแสดงให้เห็นว่าอัลกอริทึมนี้ทำงานได้ทั้งสองวิธี กล่าวคือ ออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิกคู่นั้นสามารถใช้เพื่อจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมตามอำเภอใจได้
ซึ่งหมายความว่าในระดับสูง ระบบที่มีขนาดใหญ่มากซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างมวลและสปริงสามารถมีพลังในการคำนวณเทียบเท่ากับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
ประการที่สอง ผู้เขียนได้พิจารณาข้อจำกัดทางทฤษฎีเกี่ยวกับการคำนวณพลวัตเหล่านี้ หากมีวิธีจำลองพลวัตเหล่านี้ในเวลาพหุนามบนคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่แล้ว นักวิจัยก็จะสามารถสร้างวิธีที่เร็วกว่าสำหรับการจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ อย่างไรก็ตาม นี่จะพิสูจน์ได้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยพื้นฐานแล้วไม่ได้ทรงพลังไปกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิก
หลักฐานที่สะสมมานานหลายปีแสดงให้เห็นว่าไม่น่าเป็นไปได้อย่างยิ่งที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกจะมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับคอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังนั้นงานนี้จึงเป็นข้อโต้แย้งที่น่าเชื่อถือว่าอัลกอริธึมนี้ให้การเร่งความเร็วแบบเอกซ์โปเนนเชียล เช่นเดียวกับการสาธิตที่ชัดเจนของการเชื่อมโยงใหม่และละเอียดอ่อนระหว่างพลวัตควอนตัมและออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิกที่ต่ำต้อย
“มีการพัฒนาการเร่งความเร็วแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลที่พิสูจน์ได้ของการคำนวณแบบดั้งเดิมเพียงไม่กี่คลาสเท่านั้น” Wiebe กล่าว “งานของเรามอบความได้เปรียบด้านการคำนวณที่สำคัญแก่ปัญหาต่างๆ ในด้านวิศวกรรม ประสาทวิทยาศาสตร์ และเคมี”