Świat kwantowy jest światem niewyobrażalnej złożoności. Nawet interakcja dwóch atomów może prowadzić do biliona możliwych konfiguracji, które trzeba uwzględnić, aby dokładnie opisać dynamikę układu. Dla fizyków to ogromne wyzwanie obliczeniowe – większość z tych zadań wymagała dotąd dostępu do superkomputerów lub specjalnych modeli AI.
Ale co, jeśli część z tych problemów dałoby się rozwiązać na zwykłym laptopie? To pytanie nurtowało naukowców od lat. Teraz zespół kierowany przez dr Jamira Marino z Uniwersytetu w Buffalo twierdzi, że odpowiedź jest bliżej, niż kiedykolwiek. W pracy opublikowanej w czasopiśmie PRX Quantum fizycy pokazali, jak przekształcić skomplikowaną matematyczną teorię w praktyczne narzędzie, które działa szybko i nie wymaga ekstremalnych zasobów sprzętowych.
Nowa metoda pozwala przeprowadzać symulacje kwantowe na laptopie
Podstawą odkrycia jest tzw. przybliżenie przyciętej funkcji Wignera (TWA) – metoda półklasyczna, opracowana w latach 70. ubiegłego wieku, która pozwala przybliżać zjawiska kwantowe w sposób mniej wymagający obliczeniowo. Tradycyjnie jednak TWA nadawało się tylko do idealnych, odizolowanych systemów, w których nie ma strat energii ani kontaktu z otoczeniem.
Czytaj też: Einstein się mylił? Czas płynie inaczej niż myśleliśmy. Najnowsze badania kwantowe zaskakują nawet naukowców
Zespół Marino dokonał przełomu, rozszerzając TWA na układy otwarte, czyli takie, które wymieniają energię z otoczeniem, np. poprzez tarcie, promieniowanie czy oddziaływania elektromagnetyczne. To tzw. dysypacyjne dynamiki spinowe, powszechne w rzeczywistym świecie, ale dotąd zbyt trudne do efektywnego modelowania.
Jamir Marino mówi:
Wielu próbowało to zrobić przed nami. Wiadomo było, że pewne złożone układy kwantowe można przybliżać półklasycznie, ale nikt nie potrafił tego uprościć w taki sposób, by było to naprawdę dostępne dla badaczy.
Do tej pory wykorzystanie TWA wymagało od badaczy żmudnego przekształcania równań – każdy nowy problem wymagał praktycznie napisania teorii od zera. Marino i jego współpracownicy – Hossein Hosseinabadi i Oksana Chelpanova – uprościli ten proces do formy, którą sami porównują do “tabeli konwersji”.
Zamiast przekształcać dziesiątki stron matematyki, naukowiec może teraz wprowadzić parametry swojego problemu do gotowego szablonu i otrzymać równania gotowe do analizy w ciągu godzin, nie tygodni.
W centrum tej innowacji leży idea półklasycznej fizyki – podejścia, które łączy prostotę modeli klasycznych z precyzją mechaniki kwantowej. W praktyce pozwala to zachować najważniejsze efekty kwantowe (takie jak superpozycja czy splątanie), pomijając detale, które nie mają dużego wpływu na wynik.
Jamir Marino tłumaczy:
Nasze podejście oferuje znacznie niższy koszt obliczeniowy i prostszą formę równań dynamiki. Wierzymy, że ta metoda może wkrótce stać się podstawowym narzędziem do badania dynamiki kwantowej na komputerach osobistych.
Nowa metoda ma też wymiar pragmatyczny: pozwoli oszczędzać zasoby największych klastrów obliczeniowych i modeli AI. Zamiast “marnować” superkomputery na problemy, które da się rozwiązać półklasycznie, będzie można skupić ich moc na naprawdę złożonych układach – takich, które mają więcej stanów niż atomów we Wszechświecie.