Simulace kvantových systémů už nemusí běžet jen na superpočítačích. Díky inovovanému využití původní aproximační metody mohou vědci spouštět náročné výpočty i na běžných noteboocích – rychle, přesně a s velkým potenciálem pro výzkum i praxi.
Ještě donedávna byly složité kvantové simulace výhradně doménou superpočítačů a špičkových výzkumných center. Modelování chování mnoha částic v kvantových systémech zpravidla vyžaduje obrovský výpočetní výkon, a i těm nejmodernějším strojům zabere dny až týdny práce. Dostupnost těchto zařízení po celém světě je rovněž limitovaná. To by se ale mohlo změnit díky práci expertů z americké University at Buffalo, kteří vyvinuli novou metodu umožňující spouštět tyto pokročilé simulace i na běžném notebooku.
Vědci vzkřísili aproximační metodu z minulého století
Trikem k vylepšení účinnosti kvantových výpočtů je využití tzv. zkrácené Wignerovy aproximace (v originále truncated Wigner approximation nebo zkráceně TWA). Nejde přitom o nijak inovativní metodu – věda tento fenomén zná již od 70. let minulého století. TWA v sobě kombinuje prvky klasické a kvantové fyziky, a používá se k odhadu chování složitých kvantových systémů. Původní verze této metody však byly extrémně náročné na výpočty, a jejich praktické využití tak bylo velmi omezené. Tedy až dosud.
A new truncated Wigner approximation framework enables efficient, user-friendly simulations of driven-dissipative quantum many-body dynamics, outperforming or matching cumulant methods at lower computational cost.https://t.co/S3KFbqX2F4 pic.twitter.com/uT8NKNNRuh
— PRX Quantum (@PRX_Quantum) September 8, 2025
Týmu amerických vědců v čele s Jamirem Marinem se povedlo TWA výrazně zjednodušit. Klíčem k úspěchu bylo vytvoření systému převodů mezi komplexními kvantovými výpočty a snadno řešitelnými vzorci. V praxi tak stačí zadat vybrané parametry do předpřipravené šablony, přičemž výsledky výpočtů lze mít k dispozici v řádu hodin namísto dnů.
Široké využití kvantových výpočtů v praxi
Vylepšená verze TWA navíc funguje i pro tzv. otevřené kvantové systémy, tedy takové, které mohou přímo interagovat se svým okolím. Tato vlastnost je pro praktické využití klíčová, protože většina reálných systémů není izolovaná, a simulovat tak lze například vlastnosti kvantových materiálů nebo optických sítí, či předpovídat průběh chemických reakcí v prostředí, které připomíná skutečné laboratorní podmínky.
Kvantové výpočty již nemusí být pouze výsadou obřích superpočítačů. Díky modifikované metodě aproximace by je mohly zvládaat například i notebooky. Foto: Freepik
Autoři práce, jejíž závěry byly publikovány v časopise PRX Quantum, ve své studii tvrdí, že naučit se využívat tuto metodu se dá naučit během jediného dne, a vědci tak mohou za pomoci mnohem jednoduchých počítačů řešit problémy, které byly dříve vyhrazeny těm nejvýkonnějším strojům na světě.
Zrychlení vývoje nových materiálů a další dopady objevu
Implementace TWA do reálného prostředí může uvolnit kapacitu superpočítačů pro řešení těžších úloh, zatímco jednodušší simulace budou moci provádět například i notebooky. Praktické využití této metody by mohlo vést ke zrychlení vývoje nových materiálů, kvantových senzorů či technologií v oblasti energetiky.
„Mnoho věcí, které vypadají složitě, ve skutečnosti složité nejsou Fyzici mohou využívat výkon superpočítačů v systémech, které vyžadují plnohodnotný kvantový přístup, a zbytek rychle vyřešit pomocí našeho přístupu,“ uvedl šéf výzkumu Jamir Marino.
Metoda vědců z University at Buffalo je zatím určena hlavně pro fyzikální a chemické simulace, ale její principy by mohly najít uplatnění i v kvantové informatice nebo modelování biologických systémů. Pokud se TWA rozšíří i dále, může se postupně stát novým standardem pro výuku i výzkum, a otevřít tak cestu k lepší dostupnosti kvantových výpočtů.
