Поиск оптимального решения различных проблем, от складывания белковой молекулы до прогнозирования динамики финансовых рынков, можно сравнить с поиском нижней точки гористого ландшафта. Осуществить это непросто даже на реальной местности, а для указанных выше задач сложность многократно возрастает из-за их многомерности.

Современным суперкомпьютерам по силам только небольшие подкатегории таких задач, например, допускающие снижение размерности или имеющие благоприятную структуру. Даже гипотетические квантовые компьютеры в лучшем случае дают лишь квадратичный выигрыш в скорости нахождения глобального минимума методом «грубой силы».

Группа британских и российских учёных предложила подойти к решению таких задач с неожиданной стороны: посыпать сложный ландшафт «магической пылью», которая светится только на самом глубоком уровне, предоставляя легко детектируемый маркер нужного ответа.

«Несколько лет назад наше чисто теоретическое предложение, как это можно осуществить было отвергнуто тремя научными журналами, — рассказывает профессор Кембриджского университета Наталья Берлофф (Natalia Berloff). — Поэтому пришлось заняться этим самим, и теперь наше предложение подкреплено данными экспериментов».

Результаты исследования представлены в журнале Nature Materials.

В качестве магической пыли использовались квазичастицы поляритоны, которые генерировали, облучая лазером структуры из слоёв атомов разных элементов, таких как галлий, мышьяк, индий и алюминий. Электроны в этих слоях поглощались и излучали свет на специфической длине волны.

Поляритоны в десять тысяч раз легче, чем электроны и могут достигать достаточной плотности для перехода в новое состояние материи, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна. При этом квантовые фазы всех поляритонов синхронизируются и создают единый макроскопический квантовый объект, обнаруживаемый путём измерения фотолюминесценции.

В экспериментах авторы искали минимум одной из наиболее фундаментальных моделей статистической механики. Это достаточно общая задача, с которой можно увязать прочие сложные проблемы оптимизации.

Авторы показали, что возможно создавать поляритоны в вершинах случайного графа: в процессе конденсации их квантовые фазы приобретают конфигурацию, соответствующую абсолютному минимуму целевой функции.

Развивая достигнутый успех, учёные в настоящее время расширяют экспериментальное устройство с целью тестирования его фундаментальной вычислительной эффективности на графе, состоящем из сотен вершин. Их конечная цель — создание квантового симулятора на микрочипе, способного функционировать в условиях окружающей среды.