Теоретические изыскания ученых из Германии доказали, что техники, которые можно было бы использовать в квантовом компьютере для симуляции некой квантовой системы, будут работать даже если моделируемая система не изолирована от окружающего мира.

Одно из наиболее востребованных практических применений квантового компьютера, над разработкой которого трудятся ученые по всему миру, – симуляция другой квантовой системы. Стоит отметить, что симуляция системы, состоящей из множества тел, – сложнейшая задача.

Для квантовой системы многих тел с множественными взаимодействиями наилучший алгоритм симуляции, реализуемый на классическом компьютере, требует огромных ресурсов; и эти требования растут экспоненциально с увеличением количества взаимодействующих тел. Подобное неэффективное масштабирование ресурсов приводит к тому, что ученым приходится отказываться от точного моделирования важнейших явлений, в которых задействованы множество частиц, например, таких как высокотемпературная сверхпроводимость.

Первым, кто предположил, что для моделирования квантовых систем может быть использован квантовый компьютер, был Ричард Фейнман (Richard Feynman). Далее другим ученым, Девидом Дойчем (David Deutsch), были сформулированы основные принципы квантовых вычислений.

Теоретические работы показали, что квантовый компьютер может быть эффективен для решения множества задач, в том числе и таких, для которых не существует эффективного алгоритма в рамках классических вычислений. Для решения всех этих задач научными группами по всему миру ведется активный поиск технологий, которые бы позволили создать масштабируемый квантовый компьютер на практике.

Следует отметить, что до сих пор возможность точной симуляции демонстрировалась только для замкнутых квантовых систем, не имеющих некогерентности или рассеяния энергии из-за взаимодействия с окружающей средой. Исследование закрытых систем играет важную роль в квантовой физике, позволяя моделировать многие важные эффекты, но системы, которые мы видим в реальной природе, никогда не бывают замкнутыми. Они взаимодействуют с другими частицами вокруг себя, хотя во многих случаях взаимодействия внутри системы преобладают над этими «внешними» взаимодействиями (что и позволяет иногда приближенно рассматривать их как закрытые).

В своей последней работе ученые из Free University of Berlin и University of Potsdam (Германия) показали, что открытая квантовая система, взаимодействующая с окружающей средой, также может эффективно симулироваться в квантовом компьютере.

Ранее было сделано предположение, что сложная динамика систем из многих частиц может быть разбита на элементарные взаимодействия, которые можно моделировать на квантовом компьютере. Для выполнения этих преобразований используется специальный математический аппарат Сузуки-Троттера. Используемый принцип очень напоминает известный оптический обман с цветным волчком: когда волчок не вращается, мы видим разные цвета на его поверхности, когда же он вращается достаточно быстро – разные света сливаются в один «усредненный».

Работа ученых заключалась в демонстрации того, что все описанные преобразования, разработанные для замкнутых систем многих частиц, будут действовать и для открытых систем.

Это существенно расширяет возможное полезное применение квантовых вычислений на важнейшие вопросы фундаментальной физики, квантовой химии и даже биологии. Подробно результаты работы немецких ученых описаны в журнале Physical Review Letters.