Os limites na velocidade dos algoritmos quânticos não são tão rígidos como se pensava anteriormente, de acordo com uma nova pesquisa
Os computadores quânticos prometem simular sistemas físicos muito além do alcance das máquinas clássicas. Mas mesmo os algoritmos quânticos enfrentam limites fundamentais: sem teoremas de avanço rápido. Estes dizem que se você quiser simular um sistema por mais tempo, o esforço computacional aumenta no menos proporcionalmente.
Em muitos algoritmos reais, a situação é ainda pior que o caso splendid. Isso ocorre porque os requisitos de precisão e tempo de execução se combinam, de modo que a execução por mais tempo e a execução com precisão tornam-se interligadas e dispendiosas.
No seu novo estudo, uma equipa de investigadores de Pequim e Hong Kong mostrou que esta ligação entre tempo e custo não é tão rígida como parece, pelo menos para uma ampla classe de sistemas realistas que interagem com o seu entorno. Esses chamados sistemas quânticos abertos são descritos por Lindbladiano dinâmica, que inclui tanto a evolução comum quanto os efeitos de ruído ou dissipação.
Nas abordagens anteriores, melhorar a precisão de uma simulação tornava os cálculos de longo prazo muito mais exigentes, porque os dois efeitos se multiplicavam. O novo método separa estas contribuições, de modo que o custo de simular tempos mais longos não amplia automaticamente o custo de alcançar a precisão. Em termos práticos, isto significa que prolongar uma simulação no tempo torna-se muito mais administrável do que antes.
Um resultado ainda mais surpreendente aparece quando os processos dissipativos no sistema têm uma estrutura specific comum na física quântica. Nestes casos, o número de passos computacionais sequenciais necessários cresce apenas muito lentamente à medida que o tempo simulado aumenta. Em vez de precisar de um esforço proporcionalmente maior para simular dinâmicas mais longas, o algoritmo pode efetivamente avançar, comprimindo o que normalmente seria uma longa sequência de passos em uma sequência muito mais curta. Esse avanço rápido é um afastamento dramático da expectativa normal de que simulações mais longas sempre demorem mais para serem executadas.
A equipe também demonstrou como essas ideias podem ser aplicadas ao estudo das propriedades térmicas de sistemas quânticos. Estes são essenciais para a compreensão da matéria em temperatura finita. Esses cálculos são especialmente desafiadores em baixas temperaturas, onde muitas vezes ocorrem muitas físicas interessantes. Ao explorar a sua escala mais favorável, a nova abordagem pode extrair certas propriedades térmicas de forma mais eficiente, facilitando a sondagem de regimes que normalmente são de difícil acesso.
Além da aplicação específica deste avanço em si, o trabalho destaca uma importante mudança de perspectiva. Em vez de se concentrar apenas nos limites do pior caso impostos pelos teoremas gerais, mostra que uma estrutura física cuidadosamente escolhida pode afrouxar esses limites. Só o tempo dirá quais serão as implicações para a simulação e computação quântica no futuro.