Ricercatori a Xanadu, una società canadese specializzata in informatica quantistica fotonica, afferma di aver ottenuto un vantaggio computazionale quantistico con un esperimento eseguito sulla loro macchina Borealis accessibile dal cloud. Il termine "vantaggio quantistico" (a volte chiamato supremazia quantistica) si riferisce a una situazione in cui una macchina quantistica svolge compiti computazionali specifici che sarebbero intrattabili per un computer classico. L'ultimo esperimento, che prevede l'esecuzione di misurazioni che corrispondono al prelievo di un campione da una distribuzione, richiede al Borealis di Xanadu 36 microsecondi per campione, mentre il team stima che il supercomputer più veloce del mondo impiegherebbe 9000 anni per modellare lo stesso esperimento utilizzando gli algoritmi più noti .
Il compito di questo esperimento è un esempio di campionamento del bosone gaussiano (GBS), una struttura semplificata per computer quantistici ottici in cui gli stati quantistici della luce vengono inviati attraverso un interferometro (una rete ottica con parametri sintonizzabili che determinano come interferiscono i fotoni) prima di essere misurati alle uscite. Questo design è più semplice di un computer quantistico universale e come Jonathan Lavoye, responsabile del team di integrazione dei sistemi di Xanadu, spiega, ha applicazioni limitate. "È importante sottolineare che le macchine del vantaggio quantistico sono costruite con lo scopo di dimostrare qualcosa di fondamentale sulla potenza dell'informatica quantistica, non necessariamente per risolvere un problema 'utile' immediato", afferma Lavoie. "Quest'ultimo richiederà probabilmente la tolleranza agli errori e la correzione degli errori."
Basandosi sui precedenti risultati del vantaggio quantistico
Le precedenti affermazioni sul vantaggio computazionale quantistico hanno incontrato alcune controversie. In 2019, un team di Google vantaggio quantistico annunciato utilizzando la tecnologia dei superconduttori (anziché fotonica), sebbene ciò sia stato dibattuto all'interno della comunità. Più recentemente, gli sperimentatori dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina hanno prodotto affermazioni simili per due esperimenti (eseguendo anche GBS) noti come jiuzhang ed Jiuzhang 2.0. Sebbene sia un notevole risultato tecnologico, ulteriori documenti sollevare domande sui loro risultati. Nicolas Quesada, che ha guidato il progetto insieme a Lavoie e ora è assistente professore al Polytechnique Montréal, osserva che "sono necessari più strumenti teorici e di verifica". Il lavoro di Quesada continua a guardare a queste attività di verifica.
Borealis differisce da Jiuzhang in diversi modi, comprese le dimensioni: con 216 modalità distinte (diversi stati quantistici accessibili), la macchina di Xanadu rappresenta un aumento significativo rispetto al precedente record di 144. Xanadu utilizza anche un nuovo design per GBS che ritarda i fotoni nei loop di ottica fibra prima che interferiscano con gli impulsi successivi, il che aiuta a eliminare gli errori e migliora la scalabilità. Un risultato particolare di quest'ultimo lavoro sono le tecniche implementate per stabilizzare queste fibre a lunghezze molto al di sotto dell'ordine della lunghezza d'onda della luce, come discusso in un post sul blog pubblicato dal team di Xanadu.
La nuova configurazione significa che non tutte le possibili configurazioni di GBS possono essere eseguite. "Per la fotonica, quando si vogliono codificare problemi interessanti che riflettono istanze applicative del mondo reale, è necessario accedere a un interferometro programmabile universale, che in genere comporterà perdite significative", afferma Quesada. "Quindi questa è sicuramente una sfida difficile."
Borealis, tuttavia, consente la piena programmabilità entro i limiti della struttura proposta, mentre i precedenti esperimenti GBS di questa scala avevano interazioni fisse tra le modalità. L'ulteriore flessibilità è consentita dai progressi nella generazione di stati quantistici della luce, dalla velocità di rilevamento e dalla rapida commutazione elettro-ottica, che modifica le impostazioni dei componenti in cui gli impulsi interferiscono a una velocità sufficientemente elevata per implementare tutte le possibili operazioni.
I computer classici gareggiano per raggiungere il vantaggio quantistico
Borealis è unico tra le dimostrazioni di vantaggi quantistici in quanto il pubblico ora può accedere a questa macchina e inviare lavori da remoto tramite il servizio cloud di Xanadu. Tuttavia, è ancora incerto se GBS produca calcoli utili al di là di una dimostrazione del vantaggio quantistico. Inoltre, come spiega Quesada, quando si tratta delle applicazioni del GBS, sono necessarie ulteriori ricerche per capire "se ci sono algoritmi classici che possono fare il lavoro abbastanza bene annullando così la necessità di macchine quantistiche". Tuttavia, questo risultato "aiuta davvero a creare fiducia nel fatto che i nostri sistemi di sviluppo hardware e di controllo software siano sulla strada giusta per costruire un computer quantistico fotonico tollerante ai guasti a Xanadu", dice Lavoie Mondo della fisica.
