Forscher bei Xanadu, ein kanadisches Unternehmen, das sich auf photonisches Quantencomputing spezialisiert hat, behauptet, mit einem Experiment, das auf seiner Cloud-zugänglichen Borealis-Maschine ausgeführt wurde, einen Vorteil bei der Quantenberechnung erzielt zu haben. Der Begriff „Quantenvorteil“ (manchmal auch als Quantenüberlegenheit bezeichnet) bezieht sich auf eine Situation, in der eine Quantenmaschine bestimmte Rechenaufgaben ausführt, die für einen klassischen Computer unlösbar wären. Das neueste Experiment, bei dem Messungen durchgeführt werden, die dem Ziehen einer Stichprobe aus einer Verteilung entsprechen, benötigt Xanadus Borealis 36 Mikrosekunden pro Stichprobe, während das Team schätzt, dass es 9000 Jahre dauern würde, bis der schnellste Supercomputer der Welt dasselbe Experiment mit den bekanntesten Algorithmen modelliert .
Die Aufgabe in diesem Experiment ist ein Beispiel für Gaussian Boson Sampling (GBS) – ein vereinfachtes Framework für optische Quantencomputer, bei dem Quantenzustände des Lichts durch ein Interferometer (ein optisches Netzwerk mit einstellbaren Parametern, die bestimmen, wie die Photonen interferieren) gesendet werden, bevor sie gemessen werden an den Ausgängen. Dieses Design ist einfacher als ein universeller Quantencomputer, und als Jonathan Lavoie, Leiter des Systemintegrationsteams bei Xanadu, erklärt, dass es nur eingeschränkte Anwendungen gibt. „Es ist wichtig zu betonen, dass Quantenvorteilsmaschinen mit dem Zweck gebaut werden, etwas Grundlegendes über die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu beweisen, und nicht unbedingt, um ein unmittelbar ‚nützliches' Problem zu lösen“, sagt Lavoie. „Letzteres wird wahrscheinlich Fehlertoleranz und Fehlerkorrektur erfordern.“
Aufbauend auf früheren Quantenvorteilsergebnissen
Frühere Behauptungen über Quantencomputervorteile sind auf einige Kontroversen gestoßen. Im 2019, ein Team bei Google angekündigten Quantenvorteil unter Verwendung von supraleitender (statt photonischer) Technologie, obwohl dies der Fall war innerhalb der Community diskutiert. In jüngerer Zeit machten Experimentatoren der University of Science and Technology of China ähnliche Ansprüche für zwei Experimente (auch GBS durchführen) bekannt als jiuzhang und Jiuzhang 2.0. Obwohl eine beachtliche technologische Errungenschaft, weitere Papiere Fragen zu ihren Ergebnissen aufwerfen. Nicolas Quesada, der das Projekt zusammen mit Lavoie leitete und jetzt Assistenzprofessor an der Polytechnique Montréal ist, stellt fest, dass „mehr Theorie- und Verifikationswerkzeuge benötigt werden“. Quesada befasst sich weiterhin mit diesen Überprüfungsaufgaben.
Borealis unterscheidet sich von Jiuzhang in mehrfacher Hinsicht, einschließlich der Größe: Mit 216 unterschiedlichen Modi (verschiedene zugängliche Quantenzustände) stellt Xanadus Maschine eine deutliche Steigerung gegenüber dem vorherigen Rekord von 144 dar. Xanadu verwendet auch ein neues Design für GBS, das Photonen in optischen Schleifen verzögert Glasfaser, bevor sie nachfolgende Pulse stören, was hilft, Fehler zu unterdrücken und die Skalierbarkeit zu verbessern. Eine besondere Errungenschaft dieser neuesten Arbeit sind Techniken, die implementiert werden, um diese Fasern auf Längen zu stabilisieren, die weit unter der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts liegen, wie in a. diskutiert Blog-Post veröffentlicht vom Team von Xanadu.
Durch das neue Setup können nicht alle möglichen Konfigurationen von GBS durchgeführt werden. „Wenn man in der Photonik interessante Probleme codieren möchte, die reale Anwendungsinstanzen widerspiegeln, benötigt man Zugang zu einem universellen programmierbaren Interferometer, was normalerweise zu erheblichen Verlusten führt“, sagt Quesada. „Das ist also definitiv eine harte Herausforderung.“
Borealis ermöglicht jedoch eine vollständige Programmierbarkeit innerhalb der Grenzen der vorgeschlagenen Struktur, während frühere GBS-Experimente dieser Größenordnung feste Wechselwirkungen zwischen den Modi hatten. Die zusätzliche Flexibilität wird durch Fortschritte bei der Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts, der Detektionsrate und dem schnellen elektrooptischen Schalten ermöglicht, das die Einstellungen von Komponenten ändert, an denen Impulse mit ausreichend hoher Geschwindigkeit interferieren, um alle möglichen Operationen zu implementieren.
Klassische Computer rennen um den Quantenvorteil aufzuholen
Borealis ist einzigartig unter den Quantenvorteil-Demonstrationen, da die Öffentlichkeit nun auf diese Maschine zugreifen und Aufträge über den Cloud-Service von Xanadu aus der Ferne übermitteln kann. Ob GBS über eine Demonstration des Quantenvorteils hinaus nützliche Berechnungen liefert, ist jedoch noch ungewiss. Darüber hinaus, wie Quesada erklärt, sind in Bezug auf die Anwendungen von GBS weitere Forschungen erforderlich, um zu verstehen, „ob es klassische Algorithmen gibt, die die Arbeit gut genug erledigen können und somit die Notwendigkeit von Quantenmaschinen zunichte machen“. Nichtsdestotrotz trägt dieser Erfolg „wirklich dazu bei, Vertrauen aufzubauen, dass unsere Hardwareentwicklung und unsere Softwaresteuerungssysteme auf dem richtigen Weg sind, um in Xanadu einen fehlertoleranten photonischen Quantencomputer zu bauen“, sagt Lavoie Physik-Welt.
