Ученые университета Колорадо решили усложнить классическую головоломку, добавив в нее квантовые состояния, пишет Sciencealert.
У обычного кубика Рубика 43 квинтиллиона возможных комбинаций небольших цветных блоков, сортируемых в шесть граней одинакового цвета посредством серии ограниченных поворотов. Квантовая версия все усложняет: благодаря эффекту суперпозиции каждая деталь может одновременно находиться в нескольких состояниях — и перемещаться, и не перемещаться. Это делает число возможных конфигураций бесконечным.
Поэтому ученые упростили задачу, чтобы протестировать идею: взяли двумерную сетку 2×2, состоящую только из синих и зеленых плиток. Цель — выстроить зеленые плитки сверху, синие — снизу. В классической версии у такой головоломки всего шесть возможных перестановок — можно двигать плитки горизонтально или вертикально (диагональные ходы запрещены).
Этой простой головоломке можно придать квантовый оттенок, назвав цвета «частицами» и указав, что допускаются суперпозиции между двумя различными частицами, а поскольку каждая плитка неотличима от другой, они в некотором смысле запутаны.
В эксперименте задействовали три типа симулированных решателей: классический мог поменять местами соседние плитки, квантовый мог вводить плитки только в суперпозиции, а комбинированный мог выполнять любое действие. Все они пытались решить головоломку из 2 000 случайных начальных состояний.
Комбинированный решатель показал себя лучше всех, справившись с головоломкой в среднем за 4,77 хода. Квантовый решатель был следующим, со средним значением 5,32 хода, а классический решатель оказался на последнем месте со средним значением 5,88 хода.
Классический решатель может фактически справиться менее чем за пять ходов чаще, чем квантовый. Но он превосходит свой средний показатель, потому что часто может занять вдвое больше времени, тогда как квантовый почти всегда заканчивает за восемь ходов или меньше. Это объясняется тем, что квантовому решателю нужно два хода, чтобы сделать один классический обмен. Так что квантовое преимущество должно стать более выраженным при решении более сложных головоломок.
Важно и то, как проверяется результат: срабатывает «рефери» — аналог наблюдателя в мысленном эксперименте с котом Шредингера. Измерение схлопывает суперпозицию в одно конкретное состояние. Если это не решение, головоломка перемешивается снова.
Команда также разработала 3D-версию — структуру 2×2×1, где возможны такие же квантовые ходы. Настоящая физическая реализация подобных головоломок теоретически возможна благодаря массиву ультрахолодных атомов, собранных в оптические решетки, но пока это в первую очередь математический эксперимент.
