Группа исследователей сумела решить задачу квантовой физики, которую ранее считали практически недостижимой для обычных компьютеров. Учёные провели моделирование сложной системы из сотен взаимодействующих кубитов, используя классические вычисления и специальные алгоритмы сжатия данных. Более того, первые этапы расчётов были выполнены даже не на суперкомпьютере, а на обычном ноутбуке.

Работа показала, что современные классические методы всё ещё способны конкурировать с квантовыми вычислениями в ряде крайне сложных задач. Исследование стало серьёзным вызовом распространённому мнению о том, что моделирование больших квантовых систем возможно исключительно на специализированных квантовых компьютерах.

Исследование опубликовано в журнале Science

Авторами работы стали специалисты Центра вычислительной квантовой физики при Институте Флэтайрон, а также учёные Бостонского университета. Результаты исследования были опубликованы 21 мая в научном журнале Science.

Физики занимались моделированием систем из большого количества кубитов — квантовых аналогов обычных компьютерных битов. В отличие от классических битов, которые могут хранить только 0 или 1, кубиты способны находиться сразу в нескольких состояниях благодаря эффекту суперпозиции.

Именно это делает квантовые вычисления настолько мощными, но одновременно создаёт огромные сложности для моделирования подобных процессов на обычных компьютерах. С ростом числа кубитов объём вычислений увеличивается практически экспоненциально.

Поводом стало громкое заявление о «превосходстве» квантовых компьютеров

Интересно, что исследование стало своеобразным ответом на другую научную работу, опубликованную весной 2025 года. Тогда группа исследователей заявила, что смогла рассчитать динамику чрезвычайно сложной квантовой системы исключительно с помощью квантового компьютера, а повторить подобные вычисления на классической технике якобы невозможно.

Однако команда из CCQ решила проверить это утверждение на практике.

По словам одного из авторов исследования Джозефа Тиндалла, в центре всегда скептически относятся к заявлениям о полной недоступности задач для классических вычислений. Учёные решили протестировать собственные методы моделирования и выяснить реальные пределы возможностей обычных компьютеров.

Главной проблемой стала квантовая запутанность

Одним из наиболее сложных препятствий оказалась квантовая запутанность — эффект, при котором состояния кубитов оказываются тесно связаны между собой независимо от расстояния.

В подобных системах нельзя рассматривать отдельные части независимо друг от друга. Волновая функция, описывающая состояние всей системы, становится колоссальной по объёму и очень быстро превышает возможности традиционного хранения данных.

Именно эта проблема долгие годы считалась одной из ключевых причин, по которым полноценное моделирование больших квантовых систем на классических компьютерах практически невозможно.

Учёным помогли тензорные сети

Для решения задачи исследователи использовали тензорные сети — специальные математические структуры, позволяющие эффективно сжимать данные о квантовом состоянии системы.

По сути, тензорная сеть разбивает гигантскую волновую функцию на множество небольших связанных между собой блоков данных. Джозеф Тиндалл сравнил такой подход с ZIP-архивом для квантовой информации.

В работе использовалась библиотека ITensor, созданная специалистами CCQ. Первые вычисления проводились на обычном ноутбуке, а затем масштабировались для более сложных трёхмерных моделей.

Старый алгоритм получил новую жизнь

Для начальных расчётов команда применила алгоритм belief propagation — метод распространения доверия, предложенный ещё в 1980-х годах. Изначально он использовался в статистике и теории вероятностей, однако позже его адаптировали и для задач квантовой физики.

Хотя этот подход уступает по точности некоторым современным методам, он требует значительно меньше вычислительных ресурсов. Благодаря этому учёные смогли приступить к моделированию крайне больших трёхмерных систем, с которыми многие более сложные алгоритмы просто не справились бы из-за слишком высокой нагрузки.

Результаты совпали с вычислениями квантовых компьютеров

Несмотря на использование сравнительно скромных вычислительных ресурсов, исследователи получили результаты, соответствующие лучшим мировым достижениям в области моделирования квантовых систем.

Расчёты совпали как с теоретическими предсказаниями, так и с результатами, ранее полученными на квантовых компьютерах. При этом все вычисления были выполнены без использования специализированного квантового оборудования.

Учёные подчёркивают, что их работа не отменяет необходимость развития квантовых компьютеров, однако показывает: возможности классических вычислений ещё далеко не исчерпаны.

Классические и квантовые вычисления будут развиваться вместе

Авторы исследования считают, что классические и квантовые подходы не обязательно должны конкурировать между собой. Напротив, обе технологии способны взаимно дополнять друг друга.

Классические методы позволяют проверять новые идеи, тестировать алгоритмы и исследовать многие квантовые процессы без дорогостоящего оборудования. При этом порог входа остаётся значительно ниже — зачастую достаточно лишь подходящего программного обеспечения и мощного компьютера.

Сейчас команда уже работает над ещё более сложной задачей — моделированием квантовых систем с подвижными электронами. Подобные исследования напрямую связаны с изучением сверхпроводников и других перспективных квантовых материалов, которые в будущем могут изменить энергетику, электронику и вычислительные технологии.