Ważny algorytm kwantowy może w rzeczywistości być właściwością natury

Koncepcyjna ilustracja podwójnej helisy DNA Pani Tech; Oryginalny obraz: Wikimedia commons

W 1996 roku fizyk kwantowy z Bell Labs w New Jersey opublikował nowy przepis na przeszukiwanie bazy danych n wpisy. Informatycy od dawna wiedzą, że ten proces trwa około n kroki, ponieważ w najgorszym przypadku ostatnia pozycja na liście może być przedmiotem zainteresowania.

Jednak ten fizyk, Lov Grover, pokazał, jak dziwne zasady mechaniki kwantowej pozwalają na przeprowadzenie poszukiwań w kilku krokach równych pierwiastkowi kwadratowemu z n .

To była wielka sprawa. Przeszukiwanie baz danych to fundamentalne zadanie w informatyce, używane do wszystkiego, od znajdowania numerów telefonów po łamanie kodów kryptograficznych. Tak więc każde przyspieszenie to znaczny postęp.

Powiązana historia

Czym są obliczenia kwantowe?

Mechanika kwantowa zapewniła dodatkowy zwrot. W tamtym czasie przepis Grovera był tylko drugim algorytmem kwantowym, który okazał się szybszy niż jego klasyczny odpowiednik. (Pierwszym był algorytm Petera Shora do rozkładania liczb na czynniki, który odkrył w 1994 r.) Prace Grovera były ważnym czynnikiem w przygotowaniu drogi dla rewolucji obliczeń kwantowych, która trwa do dziś.

Jednak pomimo zainteresowania wdrożenie algorytmu Grovera zajęło trochę czasu ze względu na istotne wyzwania techniczne. Pierwszy komputer kwantowy, który mógł go zaimplementować, pojawił się w 1998 roku, ale pierwsza skalowalna wersja pojawiła się dopiero w 2017 roku, a nawet wtedy działała tylko z trzema kubitami. Dlatego pilnie potrzebne są nowe sposoby implementacji algorytmu.

Dzisiaj Stéphane Guillet i współpracownicy z Uniwersytetu w Tulonie we Francji twierdzą, że może to być łatwiejsze, niż ktokolwiek się spodziewał. Mówią, że mają dowody na to, że algorytm wyszukiwania Grovera jest naturalnym zjawiskiem. Zapewniamy pierwszy dowód na to, że w pewnych warunkach elektrony mogą naturalnie zachowywać się jak poszukiwanie Grovera, szukając defektów w materiale.

Ma to oczywiste implikacje dla obliczeń kwantowych, ale jego rzeczywisty wpływ może być znacznie głębszy. Od pewnego czasu teoretycy debatują, czy wyszukiwanie kwantowe może wyjaśnić jedną z największych tajemnic dotyczących pochodzenia życia. Pomysł, że poszukiwania Grovera mają miejsce w naturze, może w końcu rozwiązać zagadkę.

Najpierw trochę tła. Ponieważ jest tak fundamentalny, algorytm wyszukiwania Grovera można przeformułować na wiele sposobów. Jednym z nich jest spacer kwantowy po powierzchni — sposób, w jaki cząstka kwantowa przemieszczałaby się losowo z jednego punktu do drugiego.

Powiązana historia

Czym jest komunikacja kwantowa? Naukowcy i firmy tworzą ultrabezpieczne sieci komunikacyjne, które mogą stanowić podstawę internetu kwantowego. Tak to działa.

Oczywiście proces ten jest rodzajem przeszukiwania przestrzeni dwuwymiarowej. Ale ponieważ cząstka kwantowa może badać wiele ścieżek jednocześnie, jest znacznie szybsza niż klasyczne poszukiwania.

Istotny wpływ na poszukiwania ma charakter powierzchni. Na przykład jeden rodzaj powierzchni składa się z kwadratowej siatki, w której cząstka kwantowa ma cztery możliwe ruchy na każdym wierzchołku.

Ale istnieje wiele innych możliwych siatek; na przykład trójkątny, w którym cząstka kwantowa ma trzy możliwości wyboru na każdym wierzchołku. Trójkątna siatka jest szczególnie interesująca ze względu na jej podobieństwo do kilku naturalnie występujących materiałów podobnych do kryształów, powiedzmy Guillet i spółka.

Zespół skoncentrował się na symulowaniu sposobu, w jaki działa wyszukiwanie Grovera dla elektronów eksplorujących siatki trójkątne i kwadratowe, ale uwzględnił również inne efekty realistyczne fizycznie, takie jak defekty siatki w postaci dziur oraz właściwości kwantowe, takie jak efekty interferencyjne.

Wyniki otwierają oczy. Pytanie, które zadają, brzmi, jak szybko elektron może znaleźć dziurę w siatce. Wielkim przełomem dla zespołu jest pokazanie, że te symulacje odtwarzają sposób, w jaki zachowują się prawdziwe elektrony w rzeczywistych materiałach.

Innymi słowy, jest to dowód na to, że swobodne elektrony w naturalny sposób implementują algorytm wyszukiwania Grovera podczas poruszania się po powierzchni niektórych kryształów.

Powiązana historia

Powiązana historia

Ma to bezpośrednie implikacje dla obliczeń kwantowych. [Ta praca] może być ścieżką do poważnego skoku technologicznego, w którym eksperymentator ominąłby potrzebę w pełni skalowalnego i korygującego błędy Komputera Kwantowego i poszedł na skróty, szukając „naturalnych zdarzeń” poszukiwania Grovera, powiedz zespół.

Praca ma również wpływ na nasze myślenie o kodzie genetycznym i pochodzeniu życia. Każda żywa istota na Ziemi używa tego samego kodu, w którym DNA przechowuje informacje za pomocą czterech zasad nukleotydowych. Sekwencje nukleotydów kodują informacje do konstruowania białek z alfabetu składającego się z 20 aminokwasów.

Ale dlaczego te liczby — cztery i 20 — a nie inne? W 2000 roku, zaledwie kilka lat po opublikowaniu przez Grovera swojej pracy, Apoorva Patel z Indyjskiego Instytutu Nauki w Bangalore pokazała, jak algorytm Grovera może wyjaśnić te liczby .

Pomysł Patela jest związany ze sposobem, w jaki DNA jest gromadzone w komórkach. W tej sytuacji maszyneria molekularna wewnątrz komórki musi przeszukać molekularną zupę zasad nukleotydowych, aby znaleźć właściwą. Jeśli są cztery możliwości, klasyczne wyszukiwanie zajmuje średnio cztery kroki. Tak więc maszyny musiałyby wypróbować cztery różne podstawy na każdym etapie montażu.

Ale wyszukiwanie kwantowe przy użyciu algorytmu Grovera jest znacznie szybsze: Patel wykazał, że gdy istnieją cztery możliwości, wyszukiwanie kwantowe może rozróżnić cztery alternatywy w jednym kroku. Rzeczywiście, cztery to optymalna liczba.

To myślenie wyjaśnia również, dlaczego istnieje 20 aminokwasów. W DNA każdy zestaw trzech nukleotydów definiuje pojedynczy aminokwas. Tak więc sekwencja trojaczków w DNA określa sekwencję aminokwasów w białku.

Ale podczas składania białek każdy aminokwas musi być wybrany z 20 różnych opcji. Algorytm Grovera wyjaśnia te liczby: trzyetapowe wyszukiwanie kwantowe może znaleźć obiekt w bazie danych zawierającej do 20 rodzajów wpisów. Znowu 20 to optymalna liczba.

Innymi słowy, jeśli procesy wyszukiwania zaangażowane w składanie DNA i białek mają być tak wydajne, jak to tylko możliwe, liczba zasad powinna wynosić cztery, a liczba aminokwasów powinna wynosić 20 — dokładnie tak, jak zostało znalezione. Jedynym zastrzeżeniem jest to, że wyszukiwania muszą mieć charakter kwantowy.

Kiedy Patel opublikował swój pomysł, fizycy kwantowi natychmiast go wyrzucili. W tamtym czasie ugrzęzli we własnych próbach kontrolowania procesów kwantowych, czego mogli dokonać jedynie poprzez izolowanie cząstek kwantowych w ekstremalnych środowiskach, takich jak temperatury bliskie zeru absolutnego.

Oczywistym problemem, jak powiedzieli, jest to, że żywe istoty działają w ciepłym, chaotycznym środowisku, w którym stany kwantowe zostaną natychmiast zniszczone.

Biolodzy byli równie lekceważący, twierdząc, że procesy kwantowe nie mogą działać wewnątrz żywych istot.

Od tego czasu pojawiło się coraz więcej dowodów na to, że procesy kwantowe odgrywają ważną rolę w wielu mechanizmach biologicznych. Na przykład obecnie uważa się, że fotosynteza jest procesem zasadniczo kwantowym.

Praca Guillet and co rzuca na to wszystko nowe spojrzenie. Sugeruje to, że algorytm Grovera jest możliwy nie tylko w niektórych materiałach; wydaje się być własnością natury. A jeśli to prawda, to obiekcje wobec pomysłów Patela zaczynają się kruszyć.

Być może życie jest tylko przykładem kwantowych poszukiwań Grovera w pracy i że ten algorytm jest sam w sobie podstawową właściwością natury. To wielki pomysł, jeśli kiedykolwiek istniał.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1908.11213 : Poszukiwanie Grovera jako naturalnie występującego zjawiska

ukryć