Квантовые отжигатели предназначены для поиска состояния с наименьшей энергией (или «основного состояния») так называемой «модели Изинга»."Такие модели являются абстрактными представлениями квантово-механической системы, включающей взаимодействующие спины, на которые также влияют внешние магнитные поля. В конце 90-х ученые обнаружили, что задачи комбинаторной оптимизации могут быть сформулированы как модели Изинга, которые, в свою очередь, могут быть физически реализованы в квантовых отжигателях. Чтобы получить решение задачи комбинаторной оптимизации, нужно просто наблюдать за основным состоянием, достигнутым в соответствующем квантовом отжиге через короткое время.
Одна из самых больших проблем в этом процессе – преобразование «логической» модели Изинга в физически реализуемую модель Изинга, подходящую для квантового отжига.
Иногда числовые значения спиновых взаимодействий или внешних магнитных полей требуют, чтобы количество битов для их представления (битовая ширина) слишком велико для физической системы. Это сильно ограничивает универсальность и применимость квантовых отжигателей для решения реальных проблем. К счастью, в недавнем исследовании, опубликованном в IEEE Transactions on Computers, ученые из Японии рассмотрели эту проблему. Основываясь исключительно на математической теории, они разработали метод, с помощью которого заданную логическую модель Изинга можно преобразовать в эквивалентную модель с желаемой разрядностью, чтобы она "соответствовала" желаемой физической реализации.
Их подход заключается в добавлении вспомогательных спинов к модели Изинга для проблемных взаимодействий или магнитных полей таким образом, чтобы основное состояние (решение) преобразованной модели было таким же, как и у исходной модели, но также требовало меньшей разрядности. Техника относительно проста и полностью гарантирует создание эквивалентной модели Изинга с тем же решением, что и исходная. «Наша стратегия является первой в мире, которая эффективно и теоретически решает проблему уменьшения битовой ширины в спиновых взаимодействиях и коэффициентах магнитного поля в моделях Изинга», – отмечает профессор Нозому Тогава из Университета Васэда, Япония, который руководил исследованием.
Ученые также проверили свой метод в нескольких экспериментах, которые еще раз подтвердили его пригодность. Проф.
Тогава возлагает большие надежды, и в заключение он говорит: «Подход, разработанный в этом исследовании, расширит применимость квантовых отжигателей и сделает их гораздо более привлекательными для людей, имеющих дело не только с физическими моделями Изинга, но и со всеми видами задач комбинаторной оптимизации. Такие проблемы распространены в криптографии, логистике и искусственном интеллекте, а также во многих других областях."