Квантовый симулятор: мост, который проверяют на прочность ✛ ✎

Оригинал: "What is a quantum simulator?"
arXiv:1405.2831 · 2014-05-12 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Квантовый симулятор — это устройство, использующее квантовые эффекты для проверки моделей физических систем.

В 1982 году физик Ричард Фейнман предложил простую идею: чтобы понять квантовую систему, нужно построить другую квантовую систему, которая ведёт себя так же. Так родился квантовый симулятор — устройство, которое не считает уравнения, а воспроизводит их в своём собственном поведении. Как механический планетарий крутит шестерёнки, чтобы показать движение планет, так симулятор крутит свои атомы, чтобы показать, что творится внутри сверхпроводника.

Но здесь скрыта ловушка. Планетарий можно разобрать и проверить каждую шестерёнку. А симулятор, построенный из квантовых частиц, сам подчиняется тем же странным правилам, которые пытается объяснить. Как узнать, что он не врёт? Авторы статьи отвечают: симуляция — это не просто демонстрация. Это мост между моделью и реальностью, и мост этот нужно проверять на прочность.

Симуляция — первый шаг двухступенчатого процесса: сначала устройство воспроизводит модель, затем модель сравнивается с реальной системой. Вычисление же предполагает гарантированную точность и не требует обращения к реальности.

Чтобы навести порядок в понятиях, авторы вводят простой критерий. Устройство считается классическим, если его состояние можно описать без квантовых «сцеплений» между частицами — как список вероятностей, а не как единое целое. По этому критерию даже бозе-конденсат, где тысячи атомов сливаются в одну волну, может оказаться классическим симулятором — если он работает в режиме конденсата. Но стоит использовать его возбуждения, как он становится квантовым. Всё зависит от того, какую часть своего поведения устройство отдаёт модели.

Цифровой квантовый симулятор с коррекцией ошибок следует считать компьютером, а устройство D-Wave для поиска основного состояния модели Изинга — компьютером, а не симулятором, поскольку его цель — оптимизация, а не изучение физической системы.

Доверие к симулятору — это не объективное свойство, а результат процесса фальсификации: тестов, сравнений и постепенного накопления уверенности. Как к мосту доверяют после того, как по нему проехали тысячи грузовиков, так и симулятору доверяют после того, как его предсказания совпали с реальностью в тысячах случаев.

В будущем, когда симуляторы начнут превосходить классические компьютеры в задачах, где нет точных решений, проблема верификации станет центральной. Усилия сместятся с демонстрации контроля на разработку методов установления доверия: поиск режимов, где результаты чувствительны к ошибкам, и понимание, какие величины вообще можно симулировать надёжно. Мост между моделью и реальностью придётся проверять на прочность каждый раз заново.

Термин «квантовый симулятор» часто приписывают Ричарду Фейнману, который в 1982 году предположил, что квантовые системы лучше всего моделировать квантовыми устройствами. Однако сама идея использования одной физической системы для изучения другой восходит к древним механическим моделям небесных тел.

\hat{\rho}(t) = \sum_{s,i} p(\{N_{s,i}\}, t) |\{N_{s,i}\}, t\rangle\langle\{N_{s,i}\}, t|
Устройство классическое, если его состояние можно описать вероятностями заполнения одночастичных мод без когерентностей между ними.
Учёные
Erwin SchrödingerHugh Everett IIIDavid HilbertJohn von NeumannDavid DeutschJohn Stewart Bell
Понятия
квантовый симулятор квантовое моделирование компьютерное моделирование оператор произведения кубит медицина центр обработки данных память декодер ячейка памяти фейнман управляющий сигнал обратная связь классический компьютер агент сложность вычислительная стоимость томография классический предел вода