Создан квантовый кубик Рубика

Ученые из США и Австралии добились потрясающих результатов на стыке квантовой физики и теории головоломок. Они разработали математический аналог знаменитого кубика Рубика, специально адаптированный для квантовых компьютеров. Столь неожиданный подход не просто переосмысливает классическую головоломку, но и открывает многообещающие перспективы для поиска оптимальных решений сложных комбинаторных задач, лежащих в основе множества научных и инженерных проблем.  

Сложная аналогия

Как отмечают исследователи, отправной точкой послужило глубокое математическое сходство между популярными головоломками - кубиком Рубика и "пятнашками" - и фундаментальными проблемами перестановки и упорядочивания, с которыми сталкиваются квантовые алгоритмы. Ключевая инновация заключается в замене цветных элементов классических головоломок на квантовые частицы, обладающие принципиальной неразличимостью. 

Представьте себе кубик, грани которого состоят не из разноцветных наклеек, а из идентичных квантовых "кубиков", которые невозможно пометить или отличить друг от друга. Подобные "квантовые головоломки", как предполагают ученые, могут быть физически реализованы с использованием ансамблей холодных атомов или других квантовых систем. 

Квантовая головоломка

Разработанная "игра" для квантового компьютера, созданная под руководством профессора Университета штата Колорадо Джошуа Комбса, сохраняет базовую механику классических головоломок: набор элементов изначально расположен в произвольном порядке, и задача состоит в том, чтобы, совершая определенные последовательности "поворотов" или перестановок, вернуть их в заданное, упорядоченное состояние 

Однако квантовая версия головоломки вводит принципиально новое измерение сложности. Помимо операций, аналогичных поворотам граней классического кубика Рубика или перемещению плиток в "пятнашках", исследователи добавили возможность использования квантовой логической операции, известной как "обратный корень из SWAP". Эта квантовая операция позволяет осуществлять более тонкие и сложные запутывания состояний кубитов, что делает квантовую головоломку существенно отличной от ее классических аналогов и открывает новые пути к ее решению. 

И ее решение

На основе изложенной выше концепции ученые разработали квантовые алгоритмы для решения подобных задач на квантовых компьютерах, использующих кудиты – многомерные обобщения кубитов, способные хранить больше информации. Они также провели сравнительный анализ эффективности решения квантовой головоломки с помощью чисто классических, чисто квантовых и гибридных подходов, сочетающих классические и квантовые логические операции 

Результаты моделирования оказались весьма интригующими. Выяснилось, что как чисто квантовые вычисления, так и их комбинация с классическими операциями позволяют достичь ускорения в решении задачи на 40-50% по сравнению с чисто классическими методами. При этом неожиданно гибридный подход продемонстрировал даже более высокую скорость решения, чем чисто квантовые алгоритмы. Это может указывать на то, что оптимальные стратегии для решения сложных комбинаторных задач на квантовых компьютерах могут лежать в симбиотическом использовании классических и квантовых вычислительных ресурсов. 

Ученые подчеркивают, что разработанный квантовый аналог кубика Рубика является лишь первым шагом. По аналогии с ним можно создавать квантовые версии и других известных комбинаторных задач. В долгосрочной перспективе это исследование может заложить основу для разработки принципиально новых алгоритмов и подходов к решению широкого класса сложных математических проблем, имеющих критическое значение для развития искусственного интеллекта, оптимизации логистики, криптографии и многих других областей науки и техники.