因斯布魯克大學(xué)物理學(xué)家們提出了一個(gè)新模型，該模型可以證明量子計(jì)算機(jī)在解決優(yōu)化問(wèn)題方面優(yōu)于經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。在新一篇研究論文中證明，即使對(duì)于大型棋盤(pán)，只要幾個(gè)量子粒子就足以解決國(guó)際象棋中的n皇后問(wèn)題。

n皇后問(wèn)題是一項(xiàng)數(shù)學(xué)任務(wù)，偉大的數(shù)學(xué)家卡爾·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)著手解決這個(gè)問(wèn)題，但令人驚訝的是，他沒(méi)有找到正確的答案。

這里的挑戰(zhàn)是如何在一個(gè)8乘8方的古典棋盤(pán)上排列8個(gè)皇后，這樣就不會(huì)有兩個(gè)皇后互相威脅。從數(shù)學(xué)上講，比較容易確定有92種不同的排列方式。在25乘25的棋盤(pán)上，已經(jīng)有超過(guò)20億種可能性，僅計(jì)算這個(gè)數(shù)字就需要花費(fèi)53年的大型計(jì)算機(jī)CPU時(shí)間。如果一些皇后已經(jīng)在場(chǎng)上，而某些對(duì)角線上可能沒(méi)有人，任務(wù)就會(huì)變得更加困難。新研究表明，有了這些附加的限制，在合理的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)典數(shù)學(xué)算法已無(wú)法解決21個(gè)皇后的問(wèn)題。

來(lái)自因斯布魯克大學(xué)理論物理系和奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所的沃爾夫?qū)?萊奇納說(shuō)：我偶然發(fā)現(xiàn)了這個(gè)話題，并認(rèn)為量子物理學(xué)真的可以在這里發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。雷納與赫爾穆特·里切(Helmut Ritsch)、博士生瓦倫丁·托格勒(Valentin Torggler)和菲利普·奧曼(Philipp Aumann)一起開(kāi)發(fā)了一款量子棋盤(pán)，在量子物理學(xué)的幫助下，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決皇后之謎。

從原子到象棋皇后

同時(shí)也是因斯布魯克理論物理系成員的Helmut Ritsch說(shuō)：將單個(gè)原子置于其中激光束的光學(xué)晶格可以用作棋盤(pán)。通過(guò)調(diào)整原子之間的相互作用，可以讓原子成為國(guó)際象棋皇后，它們按照國(guó)際象棋規(guī)則行事，也就是在棋盤(pán)的各個(gè)方向相互躲避。粒子這種斥力是在沿運(yùn)動(dòng)方向施加激光的幫助下產(chǎn)生。通過(guò)一個(gè)光學(xué)諧振器（在光學(xué)柵格上下的兩個(gè)鏡子）這種相互作用進(jìn)一步加強(qiáng)，從而在更大的距離上變得有效。

一個(gè)人也可以玩這個(gè)游戲與相應(yīng)的排斥性，但因?yàn)橛羞@么多的可能性，這將需要非常、非常長(zhǎng)的時(shí)間。因此，至關(guān)重要的是原子被非常強(qiáng)烈地冷卻下來(lái)，并使它們的量子特性發(fā)揮作用。因?yàn)樗鼈兊男袨榫拖癫ㄒ粯樱梢酝瑫r(shí)測(cè)試很多可能性。然后，在給定條件下，根據(jù)國(guó)際象棋規(guī)則是否存在有效的解決方案就會(huì)很快變得顯而易見(jiàn)。

量子霸權(quán)即將出現(xiàn)

在給定的限制條件下是否存在解，這個(gè)問(wèn)題的答案可以很容易地從諧振器發(fā)出的光中讀出。但原子后的具體排列只能通過(guò)原子顯微鏡來(lái)確定，這種方法最近在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中得到了成功應(yīng)用。經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的模擬結(jié)果強(qiáng)烈表明，因斯布魯克理論學(xué)家設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，將比經(jīng)典計(jì)算機(jī)上任何數(shù)學(xué)算法得出的結(jié)果快得多。

沃爾夫?qū)?萊納總結(jié)道：這將首次明確證明量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算某些優(yōu)化問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)?？刂茙资畟€(gè)原子已經(jīng)是實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)做法，這就是為什么這個(gè)想法可能很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

博科園｜研究/來(lái)自：因斯布魯克大學(xué)

參考期刊《Quantum》

DOI: 10.22331/q-2019-06-03-149

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