В гонке за созданием квантового компьютера, который может превзойти классический, метод, использующий частицы света (фотоны), сделал многообещающий шаг вперед. Цзянь-Вэй Пан и ЧАО-Ян Лу, оба из Университета науки и техники Китая, и их коллеги улучшили квантовую вычислительную технику, названную выборкой бозонов, чтобы достичь рекордных 14 обнаруженных фотонов в своих конечных результатах. Предыдущие эксперименты были ограничены только пятью обнаруженными фотонами. Увеличение числа частиц невелико, но оно равносильно 6,5-миллиардному увеличению “пространства состояний”, или числа способов, которыми можно сконфигурировать компьютерную систему. Чем больше пространство состояний, тем менее вероятно, что классический компьютер может выполнить тот же расчет.
Результат был сообщен в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv.org 22 октября и до сих пор не прошел рецензирование. Но если это подтвердится, то станет важной вехой в гонке за квантово-вычислительное превосходство—нечеткий столб цели, определяемый как точка, где квантовые компьютеры опережают своих лучших классических коллег.
Машина фасоли
В классических компьютерах информация кодируется в двоичных битах, поэтому два бита могут быть 00, 01, 10 или 11. Квантовый компьютер может находиться в любом классическом состоянии одновременно: два кубита имеют некоторую вероятность быть 00, 01, 10 и 11, пока они не будут измерены; три кубита имеют вероятность быть в любом из восьми состояний; и так далее. Этот экспоненциальный рост информации иллюстрирует, почему квантовые компьютеры имеют такое преимущество—в теории.
За последние несколько недель гонка за квантовым вычислительным превосходством достигла головокружительных темпов. Квантовый компьютер Google выполнил операцию, которая, по утверждению ученых, займет у классического компьютера 10 000 лет всего за 200 секунд. Исследователи IBM, которые также работают над квантовым компьютером, выразили сомнения, предположив, что классический компьютер может решить эту проблему менее чем за три дня.
Пан и Лу утверждают в своей статье, что их техника является еще одним возможным путем к квантовому превосходству. ”Я не уверен—это выглядит трудно", - говорит Скотт Ааронсон, ученый теоретик из Техасского университета в Остине, который не участвовал в этом исследовании. “Но, знаете ли, как соавтор метода отбора проб бозонов, я рад видеть прогресс и на этом пути.”
Выборку бозонов можно рассматривать как квантовую версию классического устройства, называемого машиной бобов. В этом устройстве шары падают на ряды колышков, от которых они отскакивают, приземляясь в пазы внизу. Случайное движение шаров обычно приводит к нормальному распределению в пазах: большинство шаров падает около центра, а меньшее количество падает в стороны, сужаясь по краям. Классические компьютеры могут легко имитировать случайное движение, чтобы предсказать этот результат.
Отбор проб бозонов заменяет шары фотонами, а колышки-оптическими приборами, такими как зеркала и призмы. Фотоны выстреливаются через решетку и попадают в “щель” в конце, где детекторы регистрируют их присутствие. Из-за квантовых свойств фотонов устройство всего с 50 или 60 фотонами может производить так много различных распределений, что классическим компьютерам понадобятся миллиарды и миллиарды лет, чтобы предсказать их.
Но выборка бозонов может предсказать результаты, выполнив саму задачу. Таким образом, метод - это и вычислительная задача, и квантовый компьютер, который может ее решить.
Ааронсон и его тогдашний ученик Алексей Архипов предложили выборку бозонов в 2010 году, но она осталась позади других методов квантовых вычислений, использующих физические кубиты, таких как методы, одобренные Google и IBM. Отчасти проблема заключается в его ограниченной полезности. "Универсальный компьютер может решить любую другую проблему", - говорит Джонатан Доулинг, физик-теоретик из Университета штата Луизиана, который не участвовал в исследовании. Это может решить только одно- но решение всего одной задачи быстрее, чем классический компьютер, будет считаться демонстрацией превосходства квантовых вычислений.
Успехи
Однако проведение эксперимента легче сказать, чем сделать. В Твиттере Лу поделился фотографией экспериментальной установки своей команды-столешницы, покрытой сложным узором из плотно упакованных блестящих металлических устройств. Реальная трудность заключается в сроках: команда должна была производить отдельные фотоны отдельно и одновременно. "Фотоны не собираются ждать друг друга, поэтому вам нужно генерировать каждый фотон одновременно”, - говорит Александра Мойлетт, аспирантка по квантовым вычислениям в Университете Бристоля в Англии, которая также не участвовала в работе.
Если фотоны прибывают даже с разницей в несколько триллионных долей секунды, они "теряются". "Каждый фотон в системе увеличивает вероятность того, что будут фотоны несинхронизированные, потому что ошибка будет порождать еще большую ошибку. Чем больше фотонов теряется, тем легче классическому компьютеру моделировать распределение фотонов, и тем дальше вы уходите от квантово-вычислительного превосходства. Лу приписывает увеличение команды до 14 обнаруженных фотонов чрезвычайно точному источнику фотонов. “Это волшебный ингредиент", - говорит Даулинг. Иначе они не смогли бы этого сделать.”