Tidak semua pertanyaan tentang sistem kuantum lebih mudah dijawab menggunakan algoritma kuantum. Beberapa sama mudahnya untuk algoritma klasik, yang berjalan di komputer biasa, sementara yang lain sulit untuk keduanya klasik maupun kuantum.
Untuk memahami di mana algoritma kuantum dan komputer yang dapat menjalankannya mungkin menawarkan keunggulan, para peneliti sering menganalisis model matematis yang disebut sistem spin, yang menangkap perilaku dasar dari kumpulan atom yang berinteraksi. Mereka kemudian mungkin bertanya: Apa yang akan dilakukan sistem spin ketika Anda membiarkannya sendiri pada suhu tertentu? Keadaan di mana ia menetap, yang disebut keadaan keseimbangan termalnya, menentukan banyak sifat lainnya, jadi para peneliti telah lama berupaya mengembangkan algoritma untuk menemukan keadaan keseimbangan.
Apakah algoritma-algoritma itu benar-benar mendapat manfaat dari sifat kuantumnya tergantung pada suhu sistem spin yang ditanyakan. Pada suhu yang sangat tinggi, algoritma klasik yang dikenal bisa melakukan pekerjaan dengan mudah. Masalahnya menjadi lebih sulit seiring berkurangnya suhu dan fenomena kuantum tumbuh lebih kuat; dalam beberapa sistem menjadi terlalu sulit bagi bahkan komputer kuantum untuk memecahkannya dalam waktu yang wajar. Tetapi detail dari semua ini tetap kabur.
“Kapan Anda pergi ke ruang di mana Anda membutuhkan kuantum, dan kapan Anda pergi ke ruang di mana kuantum bahkan tidak membantu Anda?” kata Ewin Tang, seorang peneliti di University of California, Berkeley, dan salah satu penulis hasil baru tersebut. “Tidak banyak yang diketahui.”
Pada bulan Februari, Tang dan Moitra mulai memikirkan masalah keseimbangan termal bersama dua ilmuwan komputer MIT lainnya: seorang peneliti pasca doktoral bernama Ainesh Bakshi dan mahasiswa pascasarjana Moitra, Allen Liu. Pada tahun 2023, mereka semua telah bekerja sama dalam sebuah algoritma kuantum revolusioner untuk tugas yang berbeda yang melibatkan sistem spin, dan mereka sedang mencari tantangan baru.
“Ketika kami bekerja bersama, segalanya mengalir,” kata Bakshi. “Sudah luar biasa.”
Sebelum terobosan 2023 itu, ketiga peneliti MIT itu belum pernah bekerja pada algoritma kuantum. Latar belakang mereka adalah dalam teori pembelajaran, cabang ilmu komputer yang fokus pada algoritma untuk analisis statistik. Tetapi seperti penyandang ambisi di mana-mana, mereka melihat ketidaktahuan relatif mereka sebagai keuntungan, cara untuk melihat masalah dengan mata segar. “Salah satu kekuatan kami adalah bahwa kami tidak tahu banyak tentang kuantum,” kata Moitra. “Satu-satunya kuantum yang kami ketahui adalah kuantum yang diajarkan Ewin kepada kami.”
Tim memutuskan untuk fokus pada suhu yang relatif tinggi, di mana para peneliti mencurigai bahwa algoritma kuantum cepat akan ada, meskipun tidak ada yang mampu membuktikannya. Cukup cepat, mereka menemukan cara untuk mengadaptasi teknik lama dari teori pembelajaran ke dalam algoritma cepat yang baru. Tetapi ketika mereka sedang menulis makalah mereka, tim lain datang dengan hasil yang mirip: bukti bahwa algoritma yang menjanjikan yang dikembangkan tahun sebelumnya akan berhasil di suhu tinggi. Mereka telah kalah cepat.
Kematian Mendadak Bangkit Kembali
Sedikit kecewa bahwa mereka datang di tempat kedua, Tang dan rekan-rekannya mulai berkomunikasi dengan Álvaro Alhambra, seorang fisikawan di Institute for Theoretical Physics di Madrid dan salah satu penulis makalah pesaing. Mereka ingin menyelesaikan perbedaan antara hasil yang mereka capai secara independen. Tetapi ketika Alhambra membaca draf awal bukti empat peneliti, dia kaget menemukan bahwa mereka telah membuktikan sesuatu yang lain dalam langkah perantara: Dalam setiap sistem spin dalam keseimbangan termal, entanglement lenyap sama sekali di atas suhu tertentu. “Saya memberi tahu mereka, ‘Oh, ini sangat, sangat penting,'” kata Alhambra.
Dari kiri: Allen Liu, Ainesh Bakshi, dan Ankur Moitra bekerja sama dengan Tang, mengandalkan latar belakang mereka dalam cabang ilmu komputer yang berbeda. “Salah satu kekuatan kami adalah bahwa kami tidak tahu banyak tentang kuantum,” kata Moitra.