Потерянные фотоны ускорили вычисления бозонного сэмплера

Китайские физики увеличили скорость работы бозонного сэмплера — квантового вычислителя, способного находить распределение вероятностей для бозонов в заданной системе, — учитывая процессы с потерями фотонов, которые обычно исключаются из рассмотрения. На несложной установке с семью фотонами ученым удалось добиться почти тридцатикратного увеличения частоты. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Настоящий квантовый компьютер должен быть универсальным, то есть на нем должны работать произвольные алгоритмы — например, алгоритм Шора для разложения чисел на простые множители или алгоритм Гровера для решения задачи перебора. В настоящее время такие компьютеры уже существуют, однако число кубитов, которыми они оперируют, сравнительно мало, и проводимые ими вычисления в принципе можно повторить на классическом суперкомпьютере. Чтобы достичь квантового превосходства — то есть построить квантовый вычислитель, который нельзя смоделировать классическими средствами, — нужно увеличить число одновременно работающих кубитов, научиться отслеживать и оперативно исправлять возникающие в ходе вычислений ошибки, а также корректно считывать их состояния. В настоящее время физики постепенно приближаются к этой границе; подробнее прочитать об их достижениях можно в нашем материале «Сколько ждать квантового превосходства?»

С другой стороны, квантового превосходства можно достичь с помощью специальных вычислителей, направленных на решение определенного класса задач и не претендующих на реализацию произвольных алгоритмов. Например, по такому пути пошла канадская компания D-wave, выпускающая компьютеры, которые моделируют квантовый отжиг, то есть быстро решают различные задачи оптимизации — например, ищут среди экспериментальных данных распады, указывающие на бозон Хиггса. В некоторых специальных случаях компьютеры компании превосходят классические в сотни миллионов раз.

Другой пример специальных вычислителей — это бозонные сэмплеры (boson sampling), с помощью которых можно быстро строить распределения вероятностей для системы бозонов. В таких устройствах запутанные фотоны направляются в специальную оптическую сеть, интерферируют в ней и образуют на выходе некоторое распределение (сколько фотонов попало в каждый из каналов), которое определяется устройством сети. Собственно, основная задача сэмплера — определить вид этого распределения; подбирая параметры установки и настраивая сеть, можно моделировать конкретные системы, например, вычислять колебательные спектры молекул. Теоретические расчеты показывают, что бозонные сэмплеры, оперирующие достаточно большим числом фотонов (порядка ста), нельзя смоделировать на классическом компьютере.

К сожалению, из-за несовершенства экспериментальных установок в бозонных сэмплерах постоянно происходят утечки фотонов, которые снижают скорость их работы и мешают достичь квантового превосходства. Как правило, экспериментаторы просто выбрасывают из рассмотрения такие процессы. Тем не менее, в 2016 году физики-теоретики Скотт Ааронсон (Scott Aaronson) и Даниэль Брод (Daniel Brod) показали, что вычисления с фиксированным числом потерянных фотонов так же сложно смоделировать на классическом компьютере, как и процессы без потерь. При этом на одних и тех же сетях процессы генерируют одинаковое распределение. Это значит, что скорость работы бозонных сэмплеров можно повысить, если разделить процессы с фиксированным числом потерянных фотонов и рассмотреть их вклады по отдельности.

Группа ученых под руководством Цзянь Вэй Паня (Jian-Wei Pan) реализовала такую схему на практике и показала, что с ее помощью действительно можно увеличить скорость вычислений. Построенная физиками установка позволяла получать до семи запутанных фотонов, которые генерировались с помощью полупроводниковой квантовой точки, возбуждаемой лазером. После получения фотоны направлялись в оптическую сеть 16×16 (16 входов, 16 выходов), эквивалентную системе из 113 разделителей и 14 зеркал, а затем считывались с помощью 16 однофотонных детекторов. Хотя потерями в сети можно было пренебречь (они составляли менее 1,5 процентов), примерно каждый четвертый фотон терялся при генерации (эффективность около 82 процентов) и каждый второй — при детектировании (эффективность около 53 процентов). Это позволяло ученым регулировать число фотонов, которые «впрыскивались» в сеть и терялись при детектировании.

Для начала физики выделили из данных события, в которых в сеть поступало три, четыре или пять фотонов, а затем один из них терялся при детектировании. Всего ученые зарегистрировали примерно 400 тысяч трехфотонных, 200 тысяч четырехфотонных и 34 тысячи пятифотонных событий. При этом распределение вероятностей, полученное в такой «урезанной» схеме, совпало с ожидаемым на 99,4, 98,9 и 96,0 процентов соответственно. Затем ученые рассмотрели процессы с потерей двух и более фотонов, в которых изначально в сеть поступало различное число частиц, и получили аналогичные результаты.

В то же время, ученые подтвердили, что скорость набора статистики в процессах с потерями значительно выше скорости в процессах без потерь. Так, например, на построенной установке скорость счета для трехфотонных процессов без потерь составляла примерно 20 килогерц, тогда как скорости счета для процессов, в которых три фотона на выходе получалось после потери одного (4−1), двух (5−2), трех (6−3) или четырех (7−4) фотонов, составляла 88, 188, 358 и 673 килогерца соответственно. Это позволяет существенно ускорить вычисления на более сложных установках, оперирующих бо́льшим числом частиц. Например, в классической схеме с 50 фотонами одно событие набирается примерно 11 дней (10⁻⁶ герц), в схеме с 52−2 фотонами — за три минуты (0,005 герц). Поэтому авторы статьи считают, что схема с потерями позволит в скором времени добиться квантового превосходства для бозонных сэмплеров.

Хотя увеличить число кубитов, которыми одновременно управляет универсальный квантовый компьютер, довольно сложно из-за малого времени декогеренции, физики постепенно улучшают этот показатель — так, всего несколько лет назад квантовые компьютеры содержали в себе не более пяти кубитов, а сейчас их число доходит до нескольких десятков. Например, группа физиков под руководством Михаила Лукина построила в июле прошлого года 51-кубитный квантовый компьютер, работающий с ультрахолодным облаком атомов рубидия, исследователи из IBM сообщают о 50-кубитном, а инженеры из Google — о 72-кубитном сверхпроводниковом квантовом компьютере. Некоторые ученые считают, что эти вычислители уже могут обеспечить квантовое превосходство, поскольку с помощью классического суперкомпьютера на данный момент удалось просчитать только устройство с 46 кубитами, однако в действительности все немного сложнее.

Ранее мы уже писали о достижениях группы Цзянь Вэй Паня. Например, в ноябре 2016 года ученым удалось построить десятифотонный бозонный сэмплер, а в мае прошлого года их установка в 200 раз «обогнала» по вычислительной мощности ENIAC — первый универсальный классический компьютер.

Дмитрий Трунин