Квантовое превосходство впервые продемонстрировали на фотонном процессоре

Китайские физики собрали оптическую схему, с помощью которой продемонстрировали квантовое превосходство. В качестве задачи для демонстрации скорости работы квантового устройства они выбрали бозонный сэмплинг на 100-модовом оптическом интерферометре. По расчетам авторов, их квантовый вычислитель справляется с этой задачей в 100 триллионов раз быстрее, чем обычный суперкомпьютер. Работа опубликована в журнале Science.

С начала развития квантовых технологий вопрос превосходства квантового компьютера над классическим не только остается открытым, но и постоянно меняется его формулировка. Ученые сосредоточили свое внимание на определенных задачах, в которых квантовые вычислители оказываются эффективнее классических. Подробнее о квантовых компьютерах и задачах, которые они способны решать быстрее классических можно прочесть в нашем материале «Сколько ждать квантового превосходства?».

Почти год назад отдел квантового искусственного интеллекта компании Google впервые заявил о том, что их сверхпроводниковый 53-кубитный процессор Sycamore смог превзойти классический суперкомпьютер в задаче о генерации случайных числовых строк. Из-за вероятностной природы кубитов число возможных вариантов таких строк оказывается очень большим — 2⁵³, поэтому для классического компьютера решение такой задачи может занять тысячи лет. Мы писали об этом эксперименте в материале «Квантовое превосходство».

Помимо множества задач, на которых можно демонстрировать возможности квантовых вычислителей, существуют разные платформы для создания самих процессоров. Все они развиваются параллельно и каждая имеет свои достоинства и недостатки. Специалисты Google использовали сверхпроводниковые цепи для реализации. Кроме них физики занимаются разработкой квантовых процессоров на ультрахолодных атомах, ионах и фотонах. Фотонные процессоры обычно содержат в себе интерферометр, который удобен для реализации задачи бозонного сэмплинга. В стандартном случае фотоны, которые попадают в интерферометр, взаимодействуют друг с другом, что позволяет получать разные выходные состояния с определенной вероятностью. Частота, с которой получается то или иное выходное состояние характеризует сам интерферометр, а точнее матрицу преобразования над фотонами. Бозонный сэмплинг позволяет рассчитывать перманенты матриц, что становится сложным для классических компьютеров при увеличении размерности.

Исследователи из научно-технического университета Китая под руководством Цзянь-Вэй Пана (Jian-Wei Pan) собрали оптическую схему для расчета перманентов матрицы размером 100 на 100, что оказалось непосильно для классического компьютера. Они использовали 25 нелинейных кристаллов для генерации пар запутанных фотонов, а интерферометр для бозонного сэмплинга собирали с использованием объемной оптики.

Фотонные процессоры хороши тем, что они работают при комнатных температурах, но отстают от остальных платформ в скорости генерации кубитов. В случае спонтанного параметрического рассеяния, которое использовали авторы для рождения одиночных фотонов, получить большую скорость генерации пар фотонов довольно сложно. Физикам удалось добиться высокой эффективности рождения одиночных фотонов точным подборов параметров 25 нелинейных кристаллов, а также благодаря их температурному контролю и качественной настройке оптической схемы. Кроме того, гауссова природа фотонов, полученных с помощью параметрического рассеяния, повлияла на тип входных состояний — ученые использовали сжатые состояния. Для того чтобы получить входное состояние с размерностью 100 из 50 фотонов, в каждом фотоне кодировали две величины — его положение в пространстве и его поляризацию.

Для оценки неразличимости фотонов, от которой зависит степень их взаимодействия, и проверки работы интерферометра физики начинали с простых экспериментов. На разные входы интерферометра подавали пару сжатых состояний и фиксировали их распределение на выходе. После этого интерферометр запустили в рабочем режиме с 25 состояниями на входе и за 200 секунд ученым удалось зафиксировать разные выходные состояния больше трех миллионов раз.

Авторы сравнили статистику выходных состояний разработанного интерферометра, которая с большой точностью совпала с теоретическим логнормальным распределением, с результатами случайной генерации числовых последовательностей. Оказалось, что обе статистики не идентичны и воспроизвести данные эксперимента с помощью случайной генерации не получится.

Важную и интригующую часть работы — сравнение производительности классического компьютера и фотонного квантового процессора — ученые проводили на двух разных суперкомпьютерах (TaihuLight и Fugaku). В обоих случаях квантовый вычислитель справлялся со своей задачей быстрее в 10¹⁴ раз.

Перед тем, как создать фотонный процессор с 25 фотонами, китайские ученые исследовали возможности бозонного сэмплинга на меньшем числе кубитов: они создали 10-фотонного кота Шредингера, собрали бозонный сэмплер, который превзошел первый классический компьютер, и ускорили вычисление бозонного сэмплера с помощью потерянных фотонов.

Оксана Борзенкова