Toppmoderna kvantanordningar är ännu inte tillräckligt stora för att kunna kallas fullskaliga datorer. Den största omfattar bara några dussin qubits - en ringa mängd jämfört med miljarder bitar i en vanlig dators minne. Men stadiga framsteg innebär att dessa maskiner nu rutinmässigt samlar ihop 10 eller 20 qubits och snart kan hålla styr över 100 eller fler.

Sålänge, forskare är upptagna med att drömma om användningsområden för små kvantdatorer och kartlägga landskapet med problem som de kommer att lösa. En uppsats av forskare från Joint Quantum Institute (JQI) och Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev , hävdar att ett nytt icke-kvantperspektiv kan hjälpa till att skissa gränserna för detta landskap och eventuellt till och med avslöja ny fysik i framtida experiment.

Det nya perspektivet innefattar ett matematiskt verktyg - ett standardmått för beräkningssvårigheter som kallas samplingskomplexitet - som mäter hur lätt eller svårt det är för en vanlig dator att simulera resultatet av ett kvantexperiment. Eftersom kvantfysikens förutsägelser är sannolikhetsmässiga, ett enda experiment kunde aldrig verifiera att dessa förutsägelser är korrekta. Du skulle behöva utföra många experiment, precis som du skulle behöva vända ett mynt många gånger för att övertyga dig själv om att du håller en vardag, opartiskt nickel.

Om en vanlig dator tar en rimlig tid att efterlikna en körning av ett kvantexperiment - genom att producera prover med ungefär samma sannolikheter som den verkliga saken - är provtagningskomplexiteten låg; om det tar lång tid, provtagningskomplexiteten är hög.

Få förväntar sig att kvantdatorer med många qubits kommer att ha låg provtagningskomplexitet - trots allt, kvantdatorer förväntas vara kraftfullare än vanliga datorer, så det ska vara svårt att simulera dem på din bärbara dator. Men även om kvantdatorernas kraft förblir obevisad, att utforska övergången från låg komplexitet till hög komplexitet kan ge ny insikt om möjligheterna med tidiga kvantanordningar, säger Alexey Gorshkov, en JQI och QuICS-stipendiat som är medförfattare till den nya uppsatsen.

"Provtagningskomplexiteten har förblivit ett underskattat verktyg, "Gorshkov säger, till stor del för att små kvantanordningar bara nyligen blivit tillförlitliga. "Dessa enheter gör nu i huvudsak kvantprovtagning, och att simulera detta är kärnan i hela vårt fält. "

För att visa nyttan av detta tillvägagångssätt, Gorshkov och flera samarbetspartners bevisade att provtagningskomplexiteten följer den lätt-till-hårda övergången av en uppgift som små och medelstora kvantdatorer förväntas utföra snabbare än vanliga datorer:bosonprovtagning.

Bosoner är en av de två familjerna av grundläggande partiklar (den andra är fermioner). I allmänhet kan två bosoner interagera med varandra, men det är inte fallet med bosonprovtagningsproblemet. "Även om de inte interagerar i detta problem, bosoner är liksom intressanta nog för att göra bosonprovning värd att studera, "säger Abhinav Deshpande, en doktorand vid JQI och QuICS och huvudförfattare till uppsatsen.

I bosonprovtagningsproblemet, ett fast antal identiska partiklar får hoppa runt på ett rutnät, sprider sig ut i kvantöverlagringar över många nätplatser. Att lösa problemet innebär provtagning från detta utsmorda kvant sannolikhetsmoln, något en kvantdator inte skulle ha problem med.

Deshpande, Gorshkov och deras kollegor bevisade att det finns en skarp övergång mellan hur lätt och svårt det är att simulera bosonprovtagning på en vanlig dator. Om du börjar med några väl separerade bosoner och bara låter dem hoppa runt kort, provtagningskomplexiteten förblir låg och problemet är lätt att simulera. Men om du väntar längre en vanlig dator har ingen chans att fånga kvantbeteendet, och problemet blir svårt att simulera.

Resultatet är intuitivt, Deshpande säger, eftersom bosonerna på kort tid fortfarande är relativt nära sina utgångslägen och inte mycket av deras "kvantitet" har framkommit. För längre tider, fastän, det finns en explosion av möjligheter för var en given boson kan hamna. Och eftersom det är omöjligt att skilja två identiska bosoner från varandra, ju längre du låter dem hoppa runt, desto mer sannolikt är det att de tyst byter plats och komplicerar kvant sannolikheterna ytterligare. På det här sättet, det dramatiska skiftet i provtagningskomplexiteten är relaterat till en förändring i fysiken:Det blir inte för svårt förrän bosoner hoppar tillräckligt långt för att byta plats.

Gorshkov säger att att leta efter förändringar som detta i provtagningskomplexiteten kan hjälpa till att avslöja fysiska övergångar i andra kvantuppgifter eller experiment. Omvänt, brist på ökad komplexitet kan utesluta en kvantfördel för enheter som är för felbenägna. Hur som helst, Gorshkov säger, framtida resultat från detta perspektivskifte bör vara intressanta. "En djupare titt på användningen av samplingsteori från datavetenskap för att studera kvantfysik i många kroppar kommer att lära oss något nytt och spännande om båda områdena, " han säger.