Ett team av forskare från Storbritannien och Ryssland har framgångsrikt visat att en typ av "magiskt damm" som kombinerar ljus och materia kan användas för att lösa komplexa problem och så småningom kan överträffa förmågan hos även de mest kraftfulla superdatorer.
Forskarna, från Cambridge, Southampton och Cardiff universitet i Storbritannien och Skolkovo Institute of Science and Technology i Ryssland, har använt kvantpartiklar som kallas polaritoner - som är halva ljus och halva materia - för att fungera som en typ av ”ledstjärna” som visar vägen till den enklaste lösningen på komplexa problem. Denna helt nya design kan utgöra grunden för en ny typ av dator som kan lösa problem som för närvarande är olösliga, inom olika områden som biologi, finans eller rymdresor. Resultaten rapporteras i journalen Naturmaterial .
Våra tekniska framsteg - från modellering av proteinvikning och beteende på finansmarknaderna till att ta fram nya material och skicka helautomatiska uppdrag till rymden - beror på vår förmåga att hitta den optimala lösningen på en matematisk formulering av ett problem:det absoluta minsta antalet steg som det krävs för att lösa det problemet.
Sökandet efter en optimal lösning är analogt med att leta efter den lägsta punkten i en bergig terräng med många dalar, skyttegravar, och droppar. En vandrare kan gå nedför och tro att de har nått den lägsta punkten i hela landskapet, men det kan finnas en djupare droppe strax bakom nästa berg. En sådan sökning kan verka skrämmande i naturlig terräng, men föreställ dig dess komplexitet i högdimensionellt utrymme. "Detta är precis problemet att ta itu med när objektivfunktionen att minimera representerar ett verkligt problem med många okända, parametrar, och begränsningar, "säger professor Natalia Berloff vid Cambridge Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics och Skolkovo Institute of Science and Technology, och tidningens första författare.
Moderna superdatorer kan bara hantera en liten delmängd av sådana problem när dimensionen av funktionen som ska minimeras är liten eller när den underliggande strukturen för problemet gör att den snabbt kan hitta den optimala lösningen även för en funktion med stor dimension. Även en hypotetisk kvantdator, om insåg, erbjuder i bästa fall den kvadratiska hastigheten för "brute-force" -sökningen efter det globala minimumet.
Berloff och hennes kollegor närmade sig problemet från en oväntad vinkel:Tänk om man istället för att röra sig längs den bergiga terrängen på jakt efter den lägsta punkten, man fyller landskapet med ett magiskt damm som bara lyser på den djupaste nivån, bli en lätt upptäckt markör för lösningen?
"För några år sedan avvisades vårt rent teoretiska förslag om hur man gör detta av tre vetenskapliga tidskrifter, "sa Berloff." En domare sa, 'Vem skulle vara galen nog att försöka genomföra detta ?!' Så vi fick göra det själva, och nu har vi bevisat vårt förslag med experimentella data. "
Deras 'magiska damm' polaritoner skapas genom att lysa en laser vid staplade lager av utvalda atomer som gallium, arsenik, indium, och aluminium. Elektronerna i dessa lager absorberar och avger ljus av en specifik färg. Polaritoner är tiotusen gånger lättare än elektroner och kan uppnå tillräckliga densiteter för att bilda ett nytt tillstånd av tillstånd som kallas ett Bose-Einstein-kondensat, där polaritons kvantfaser synkroniserar och skapar ett enda makroskopiskt kvantobjekt som kan detekteras genom fotoluminescensmätningar.
Nästa fråga forskarna var tvungna att ta itu med var hur man skapar ett potentiellt landskap som motsvarar funktionen som ska minimeras och tvinga polaritoner att kondensera på dess lägsta punkt. Att göra detta, gruppen fokuserade på en viss typ av optimeringsproblem, men en typ som är generell nog så att alla andra hårda problem kan relateras till det, nämligen minimering av XY -modellen som är en av de mest grundläggande modellerna för statistisk mekanik. Författarna har visat att de kan skapa polaritoner vid hörn av en godtycklig graf:när polaritoner kondenserar, polaritons kvantfaser ordnar sig i en konfiguration som motsvarar objektivfunktionens absoluta minimum.
"Vi är bara i början av att utforska potentialen hos polaritondiagram för att lösa komplexa problem, "sa medförfattaren professor Pavlos Lagoudakis, Chef för Hybrid Photonics Lab vid University of Southampton och Skolkovo Institute of Science and Technology, där experimenten utfördes. "Vi skala för närvarande upp vår enhet till hundratals noder, samtidigt som den testar sin grundläggande beräkningskraft. Det slutliga målet är en mikrochip -kvantsimulator som fungerar vid omgivande förhållanden. "
