A kvantumszámítógépek első praktikus alkalmazásainak építőköve lehet az az eljárás, amelyről Gilyén András, a HUN-REN Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézet kutatója írt tanulmányt „Hatékony kvantumtermikus szimuláció” címmel. A Nature folyóiratban megjelent cikk egy több éves kutatási együttműködés áttörő eredményeit foglalja össze az általuk kifejlesztett algoritmusról. Az új eljárás segítségével hatékonyan szimulálhatók bizonyos természetben is lezajló folyamatok, amelyek egzotikus molekulák és anyagszerkezetek kvantumszámítógépes elemzésében és akár új anyagok felfedezésében is fontos szerepet játszhatnak.

Gilyén András nemrég nyerte el az Európai Kutatási Tanács (ERC) Starting Grant támogatását. Nyertes pályázata is a természetben lezajló nyílt kvantumrendszerek által inspirált kvantumalgoritmusokkal foglalkozik, és nagyban épít a most megjelent tanulmány eredményeire.

„A természettől tanuljuk el, hogyan dolgozik kvantumrendszerekkel és ezt összevetjük a számítástudományi és statisztikus fizikai ismereteinkkel. Így állunk neki új algoritmusokat fejleszteni, leginkább különböző kvantumrendszerekkel kapcsolatos szimulációs feladatokra. Ez reményeink szerint elvezet olyan fontos elméleti kérdések megválaszolásához, amelyek akár az anyagtudományban vagy a kvantumkémiában is relevánsak lehetnek” – mondta el a Rényi Intézet kutatója a pályázatával kapcsolatban.

A Nature folyóiratban megjelent tanulmány összefoglalja az elmúlt évek kutatásának eredményeit. „Eredetileg is az volt az első motiváció a kvantumszámítógépek építésére, hogy különböző kvantumfizikai rendszereket szimulálhassunk, amelyeket klasszikus számítógépekkel nem lehetséges. A természetben megfigyelt alacsony energiás állapotokhoz – amelyek igazán érdekesek – valahogyan először el kellene jutni, de nem világos, hogy azok pontosan hogyan néznek ki. Éppen ez az, amit meg akarunk érteni. Ezek megtalálására korábban voltak különböző elgondolások, de azok sok esetben nem működtek jól, mert mind determinisztikus (előre meghatározott) jellegűek voltak. Arról szól ez a tanulmányunk, hogy hogyan lehet a kvantumos algoritmusok előnyeit ötvözni a véletlen algoritmusok előnyeivel” – fejtette ki Gilyén András.

„Mikor meg akarunk ismerni egy kvantumos állapotot, akkor a mérésbe bejön egyfajta véletlenség. De a kvantumszámítógépek belső működésére tipikusan úgy gondol az ember, hogy ott fix kvantumállapotok között determinisztikus lépések zajlanak. Ez nagyban különbözik a klasszikus számításban kifejezetten hasznos véletlen algoritmusoktól, amiket akkor vetünk be, amikor nem tudjuk pontosan, hogyan kéne eljutnunk a megoldásig, ezért véletlen lépéseket alkalmaznunk. Ha ezeket ügyesen állítja be az ember, akkor sok esetben célravezetőek, és ezt lehet is bizonyítani

Ez az eljárás nagyon hasznos különböző keresési problémák esetében, ahol nem teljesen világos, hogyan kell eljutunk a célig” – ismertette a részleteket a kutató. „A cikkünkben leírjuk egy ilyen véletlen módszer újfajta kvantumos általánosítását, ami révén a véletlen ereje teljesen kihasználható egy kvantumszámítógépben. Ez a munkánk új fejezetet nyithat a kutatásokban, kiváltképp a véletlent használó kvantumos algoritmusok fejlesztése, és helyes működésének elemzése és bizonyítása terén” – hangsúlyozta Gilyén András.

| Illusztrációk: Adobe Stock