Onderzoekers bij Xanadu, een Canadees bedrijf dat gespecialiseerd is in fotonische kwantumcomputing, beweert kwantumcomputervoordeel te hebben behaald met een experiment dat werd uitgevoerd op hun in de cloud toegankelijke Borealis-machine. De term 'kwantumvoordeel' (soms kwantumsuprematie genoemd) verwijst naar een situatie waarin een kwantummachine specifieke rekentaken uitvoert die voor een klassieke computer onhandelbaar zouden zijn. Het nieuwste experiment, waarbij metingen worden gedaan die overeenkomen met het trekken van een monster uit een distributie, duurt Xanadu's Borealis 36 microseconden per monster, terwijl het team schat dat het 9000 jaar zou duren voordat 's werelds snelste supercomputer hetzelfde experiment zou modelleren met behulp van de bekendste algoritmen .
De taak in dit experiment is een voorbeeld van Gaussiaanse bosonbemonstering (GBS) - een vereenvoudigd raamwerk voor optische kwantumcomputers waarin kwantumtoestanden van licht door een interferometer worden gestuurd (een optisch netwerk met instelbare parameters die bepalen hoe de fotonen interfereren) voordat ze worden gemeten bij de uitgangen. Dit ontwerp is eenvoudiger dan een universele kwantumcomputer, en als Jonathan Lavoie, teamleider systeemintegratie bij Xanadu, legt uit dat het beperkte toepassingen heeft. "Het is belangrijk om te benadrukken dat kwantumvoordeelmachines zijn gebouwd met het doel iets fundamenteels te bewijzen over de kracht van kwantumcomputing, niet noodzakelijk om een onmiddellijk 'nuttig' probleem op te lossen", zegt Lavoie. "Dit laatste vereist waarschijnlijk fouttolerantie en foutcorrectie."
Voortbouwen op eerdere kwantumvoordeelresultaten
Eerdere beweringen over kwantumberekeningsvoordelen hebben enige controverse ondervonden. In 2019, een team bij Google aangekondigd kwantumvoordeel met behulp van supergeleidende (in plaats van fotonische) technologie, hoewel dit is besproken binnen de gemeenschap. Meer recent maakten onderzoekers van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China soortgelijke claims voor twee experimenten (ook het uitvoeren van GBS) bekend als jiuzhang en Jiuzhang 2.0. Hoewel een aanzienlijke technologische prestatie, verdere papieren vragen stellen over hun resultaten. Nicolas Quesada, die samen met Lavoie het project leidde en nu assistent-professor is bij Polytechnique Montréal, merkt op dat "meer theorie- en verificatietools nodig zijn." Quesada's werk blijft kijken naar deze verificatietaken.
Borealis verschilt op verschillende manieren van Jiuzhang, waaronder de grootte: met 216 verschillende modi (verschillende toegankelijke kwantumtoestanden) vertegenwoordigt Xanadu's machine een aanzienlijke stijging ten opzichte van het vorige record van 144. Xanadu gebruikt ook een nieuw ontwerp voor GBS dat fotonen in optische lussen vertraagt. glasvezel voordat ze interfereren met volgende pulsen, wat helpt om fouten te onderdrukken en de schaalbaarheid te verbeteren. Een bijzondere prestatie van dit laatste werk zijn technieken die zijn geïmplementeerd om deze vezels te stabiliseren tot lengtes ver onder de orde van de golflengte van het licht, zoals besproken in een blogpost gepubliceerd door het team van Xanadu.
Door de nieuwe opzet kunnen niet alle mogelijke configuraties van GBS worden uitgevoerd. "Voor fotonica, wanneer men interessante problemen wil coderen die een afspiegeling zijn van real-world applicatie-instanties, moet men toegang hebben tot een universeel programmeerbare interferometer, wat doorgaans aanzienlijke verliezen met zich meebrengt", zegt Quesada. "Dus dit is zeker een moeilijke uitdaging."
Borealis staat echter volledige programmeerbaarheid toe binnen de grenzen van de voorgestelde structuur, terwijl eerdere GBS-experimenten van deze schaal vaste interacties tussen modi hadden. De extra flexibiliteit wordt mogelijk gemaakt door vooruitgang in het genereren van kwantumtoestanden van licht, de detectiesnelheid en snelle elektro-optische schakeling, die de instellingen verandert van componenten waarmee pulsen interfereren met een voldoende hoge snelheid om alle mogelijke bewerkingen uit te voeren.
Klassieke computers racen om het kwantumvoordeel in te halen
Borealis is uniek onder de demonstraties van kwantumvoordeel doordat het publiek nu toegang heeft tot deze machine en opdrachten op afstand kan indienen via de cloudservice van Xanadu. Of GBS enige bruikbare berekeningen produceert die verder gaan dan een demonstratie van kwantumvoordeel, is echter nog steeds onzeker. Bovendien, zoals Quesada uitlegt, is er verder onderzoek nodig als het gaat om de toepassingen van GBS om te begrijpen "of er klassieke algoritmen zijn die het werk goed genoeg kunnen doen, waardoor de behoefte aan kwantummachines teniet wordt gedaan". Desalniettemin helpt deze prestatie "echt om het vertrouwen op te bouwen dat onze hardwareontwikkeling en softwarebesturingssystemen op de goede weg zijn om een fouttolerante fotonische kwantumcomputer in Xanadu te bouwen", vertelt Lavoie. Natuurkunde wereld.
