Namun tidak semua pertanyaan tentang sistem kuantum mudah dijawab menggunakan algoritma kuantum. Beberapa pertanyaan sama mudahnya untuk algoritma klasik, yang berjalan pada komputer biasa, sementara yang lain sulit untuk algoritma klasik dan kuantum.
Untuk memahami di mana algoritma kuantum dan komputer yang dapat menjalankannya dapat memberikan keuntungan, para peneliti sering menganalisis model matematika yang disebut sistem spin, yang menangkap perilaku dasar dari susunan atom yang berinteraksi. Mereka kemudian mungkin bertanya: Apa yang akan dilakukan sistem spin ketika Anda membiarkannya pada suhu tertentu? Keadaan yang dicapainya, yang disebut keadaan kesetimbangan termalnya, menentukan banyak sifat lainnya, sehingga para peneliti telah lama berupaya mengembangkan algoritma untuk menemukan keadaan kesetimbangan.
Apakah algoritma tersebut benar-benar mendapat manfaat dari sifat kuantumnya bergantung pada suhu sistem spin yang dimaksud. Pada suhu yang sangat tinggi, algoritma klasik yang dikenal dapat melakukan pekerjaan tersebut dengan mudah. Masalahnya menjadi lebih sulit saat suhu menurun dan fenomena kuantum semakin kuat; dalam beberapa sistem, hal itu menjadi terlalu sulit bahkan bagi komputer kuantum untuk dipecahkan dalam jumlah waktu yang wajar. Namun, detail dari semua ini masih belum jelas.
“Kapan Anda akan pergi ke ruang di mana Anda membutuhkan kuantum, dan kapan Anda akan 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 dengan dua ilmuwan komputer MIT lainnya: seorang peneliti pascadoktoral bernama Ainesh Bakshi dan mahasiswa pascasarjana Moitra, Allen Liu. Pada tahun 2023, mereka semua berkolaborasi dalam algoritma kuantum yang inovatif untuk tugas berbeda yang melibatkan sistem spin, dan mereka mencari tantangan baru.
“Saat kami bekerja sama, segala sesuatunya berjalan lancar,” kata Bakshi. “Ini luar biasa.”
Sebelum terobosan tahun 2023 itu, ketiga peneliti MIT itu belum pernah bekerja pada algoritme kuantum. Latar belakang mereka adalah teori pembelajaran, subbidang ilmu komputer yang berfokus pada algoritme untuk analisis statistik. Namun, seperti para pemula yang ambisius di mana pun, mereka memandang kenaifan relatif mereka sebagai suatu keuntungan, suatu cara untuk melihat masalah dengan sudut pandang baru. “Salah satu kekuatan kami adalah kami tidak tahu banyak tentang kuantum,” kata Moitra. “Satu-satunya kuantum yang kami ketahui adalah kuantum yang diajarkan Ewin kepada kami.”
Tim tersebut memutuskan untuk fokus pada suhu yang relatif tinggi, di mana para peneliti menduga bahwa algoritma kuantum yang cepat akan ada, meskipun tidak seorang pun mampu membuktikannya. Tak lama kemudian, mereka menemukan cara untuk mengadaptasi teknik lama dari teori pembelajaran menjadi algoritma cepat yang baru. Namun saat mereka menulis makalah mereka, tim lain muncul dengan hasil yang serupa: sebuah bukti bahwa algoritma yang menjanjikan yang dikembangkan tahun sebelumnya akan bekerja dengan baik pada suhu tinggi. Mereka telah berhasil.
Kematian Mendadak Terlahir Kembali
Agak kecewa karena mereka berada di posisi kedua, Tang dan rekan-rekannya mulai berkorespondensi dengan Álvaro Alhambra, seorang fisikawan di Institut Fisika Teoritis di Madrid dan salah satu penulis makalah tandingan. Mereka ingin mencari tahu perbedaan antara hasil yang mereka capai secara independen. Namun, ketika Alhambra membaca draf awal bukti keempat peneliti tersebut, ia terkejut saat mengetahui bahwa mereka telah membuktikan sesuatu yang lain dalam langkah peralihan: Dalam sistem spin apa pun dalam kesetimbangan termal, keterikatan menghilang sepenuhnya di atas suhu tertentu. “Saya memberi tahu mereka, 'Oh, ini sangat, sangat penting,'” kata Alhambra.