Bilim insanları, gündelik bilgisayarların süper bilgisayarlar veya yapay zeka araçlarına ihtiyaç duymadan karmaşık kuantum sistemlerini modelleyebileceği yeni bir yöntem geliştirdi. Bu çığır açan gelişme, kuantum hesaplamalar alanında önemli bir ilerleme olarak görülüyor.
Kuantum sistemlerini modelleme konusunda on yıllardır kullanılan "kesilmiş Wigner yaklaşımı" (TWA) adı verilen teknik, bu yeni yöntemle daha basit ve hızlı bir çözüme dönüştürüldü. Bu sayede, gerçek dünya kuantum sistemlerinin nasıl davranabileceği daha doğru bir şekilde tahmin edilebilecek ve böylece süper bilgisayar kaynakları daha karmaşık kuantum görevleri için serbest kalacak.
Araştırmacılar, bu yeni yaklaşımın, kuantum dinamiği denklemlerinin hesaplama maliyetini önemli ölçüde düşürdüğünü ve formülasyonunu basitleştirdiğini belirtiyor. Yakın gelecekte bu yöntemin, standart donanımlarla bu tür kuantum dinamiklerini keşfetmek için ana araç haline gelebileceği düşünülüyor.
1970'lerde geliştirilen TWA, kuantum davranışlarını tahmin etmek için kullanılan "yarı-klasik" bir simülasyon yöntemiydi. Kuantum mekaniğinin kurallarına tabi olan kuantum sistemleri, genellikle inanılmaz derecede küçük ölçeklerdeki parçacıkları içerir. Bu ölçekte, tutarlılık ve dolanıklık gibi kuantum mekaniğine özgü olgular, yalnızca klasik fizik ile tam olarak açıklanamayan etkilere yol açar.
Bu etkilerin yarattığı muazzam sayıda olası sonuç, simülasyonları genellikle büyük hesaplama gücü gerektirir. Kuantum dinamiklerini geleneksel donanımlarda daha kolay incelemek için araştırmacılar, yarı-klasik fizik adı verilen teorik bir çerçeveden yararlanırlar. Yarı-klasik fizik, bir kuantum denkleminin bazı kısımlarını kuantum mekaniği, diğer kısımlarını ise klasik fizik merceğinden ele alarak, bir kuantum sisteminin zamanla nasıl davranabileceğini tahmin etmeye olanak tanır.
TWA, bir kuantum problemini birden çok basitleştirilmiş klasik hesaplamaya dönüştürerek çalışır. Her bir hesaplama, kuantum mekaniğinin içsel belirsizliğini hesaba katmak için az miktarda istatistiksel "gürültü" ile başlar. Bu basitleştirilmiş hesaplamalar çalıştırılıp sonuçlar ortalaması alındığında, araştırmacılar kuantum probleminin nasıl sonuçlanacağına dair yeterli bir resim elde ederler.
Ancak, TWA başlangıçta dış kuvvetlerden tamamen izole edilmiş "idealize edilmiş" kuantum sistemleri için geliştirilmiştir. Bu durum, sistemin müdahale olmadan evrildiği varsayıldığı için matematiği çok daha yönetilebilir hale getirir. Gerçekte ise kuantum sistemleri genellikle açıktır ve dış etkilere maruz kalırlar. Parçacıklar enerji kaybeder veya emer, ya da çevreleriyle etkileşime girdikçe tutarlılıklarını yavaş yavaş yitirirler. "Sönümleyici dinamikler" olarak bilinen bu etkiler, geleneksel TWA'nın kapsamı dışındadır ve kuantum sistemlerinin davranışlarını tahmin etmeyi çok daha zorlaştırır.
Araştırmacılar bu sorunu, "açık" kuantum sistemlerinde sönümleyici etkileri modellemek için yaygın olarak kullanılan matematiksel bir çerçeve olan Lindblad master denklemlerini ele alacak şekilde TWA'yı genişleterek çözdüler. Ardından, güncellenmiş yöntemi, fizikçilerin bir problemi girdiğinde birkaç saat içinde kullanılabilir denklemler elde etmelerini sağlayan "pratik, kullanıcı dostu bir şablon" haline getirdiler.
Bu güncellenmiş teknik, TWA'yı yeniden kullanılabilir hale de getiriyor. Her yeni problem için temel matematiksel yapıyı sıfırdan yeniden oluşturmak yerine, fizikçiler sistemlerinin parametrelerini güncellenmiş çerçeveye girebilir ve doğrudan uygulayabilirler. Bu, giriş engelini düşürüyor ve hesaplamaları önemli ölçüde hızlandırıyor.
Araştırmacılara göre, fizikçiler bu yöntemi bir günde öğrenip, yaklaşık üçüncü günde, çalışmada sunulan en karmaşık problemlerden bazılarını çözmeye başlayabiliyorlar.
