Forskere på Xanadu, et kanadisk selskap som spesialiserer seg på fotonisk kvanteberegning, hevder å ha oppnådd kvanteberegningsfordeler med et eksperiment kjørt på deres skytilgjengelige Borealis-maskin. Begrepet "kvantefordel" (noen ganger kalt kvanteoverlegenhet) refererer til en situasjon der en kvantemaskin utfører spesifikke beregningsoppgaver som ville være vanskelige for en klassisk datamaskin. Det siste eksperimentet, som innebærer å ta målinger som tilsvarer å trekke en prøve fra en distribusjon, tar Xanadus Borealis 36 mikrosekunder per prøve, mens teamet anslår at det vil ta 9000 år for verdens raskeste superdatamaskin å modellere det samme eksperimentet ved å bruke de best kjente algoritmene .
Oppgaven i dette eksperimentet er et eksempel på Gaussian boson sampling (GBS) – et forenklet rammeverk for optiske kvantedatamaskiner der kvantetilstander av lys sendes gjennom et interferometer (et optisk nettverk med avstembare parametere som dikterer hvordan fotonene forstyrrer) før de måles ved utgangene. Denne designen er enklere enn en universell kvantedatamaskin, og som Jonathan Lavoie, leder for systemintegrasjon hos Xanadu, forklarer at det har begrensede applikasjoner. "Det er viktig å understreke at kvantefordelersmaskiner er bygget med det formål å bevise noe grunnleggende om kraften til kvanteberegning, ikke nødvendigvis for å løse et umiddelbart "nyttig" problem, sier Lavoie. "Sistnevnte vil sannsynligvis kreve feiltoleranse og feilretting."
Bygger på tidligere resultater med kvantefordeler
Tidligere påstander om kvanteberegningsfordeler har møtt en del kontroverser. I 2019, et team hos Google annonsert kvantefordel ved hjelp av superledende (i stedet for fotonisk) teknologi, selv om dette har vært det diskutert i samfunnet. Nylig gjorde eksperimenter fra University of Science and Technology i Kina lignende krav for to eksperimenter (som også utfører GBS) kjent som jiuzhang og Jiuzhang 2.0. Selv om det er en betydelig teknologisk prestasjon, ytterligere papirer stille spørsmål om resultatene deres. Nicolás Quesada, som ledet prosjektet sammen med Lavoie og nå er assisterende professor ved Polytechnique Montréal, bemerker at "mer teori- og verifiseringsverktøy er nødvendig." Quesadas arbeid fortsetter med å se på disse verifiseringsoppgavene.
Borealis skiller seg fra Jiuzhang på flere måter, inkludert størrelse: med 216 distinkte moduser (ulike tilgjengelige kvantetilstander), representerer Xanadus maskin en betydelig økning fra den forrige rekorden på 144. Xanadu bruker også et nytt design for GBS som forsinker fotoner i løkker av optisk fiber før de forstyrrer påfølgende pulser, noe som bidrar til å undertrykke feil og forbedrer skalerbarheten. En spesiell prestasjon av dette siste arbeidet er teknikker implementert for å stabilisere disse fibrene til lengder langt under rekkefølgen til lysets bølgelengde, som diskutert i en blogginnlegg publisert av teamet på Xanadu.
Det nye oppsettet gjør at ikke alle mulige konfigurasjoner av GBS kan utføres. "For fotonikk, når man ønsker å kode interessante problemer som reflekterer applikasjonsinstanser i den virkelige verden, trenger man tilgang til et universelt programmerbart interferometer, som typisk vil medføre betydelige tap," sier Quesada. "Så dette er definitivt en vanskelig utfordring."
Borealis tillater imidlertid full programmerbarhet innenfor rammen av den foreslåtte strukturen, mens tidligere GBS-eksperimenter i denne skalaen hadde faste interaksjoner mellom moduser. Den ekstra fleksibiliteten tillates av fremskritt innen generering av kvantetilstander av lys, deteksjonshastigheten og rask elektro-optisk svitsjing, som endrer innstillingene til komponenter der pulser forstyrrer med en tilstrekkelig høy hastighet til å implementere alle mulige operasjoner.
Klassiske datamaskiner raser for å ta igjen kvantefordelen
Borealis er unik blant demonstrasjoner av kvantefordeler ved at publikum nå kan få tilgang til denne maskinen og sende inn jobber eksternt via Xanadus skytjeneste. Hvorvidt GBS produserer noen nyttige beregninger utover en demonstrasjon av kvantefordel, er imidlertid fortsatt usikkert. Videre, som Quesada forklarer, når det kommer til anvendelser av GBS, er det nødvendig med ytterligere forskning for å forstå "om det finnes klassiske algoritmer som kan gjøre jobben godt nok og dermed oppheve behovet for kvantemaskiner". Ikke desto mindre hjelper denne prestasjonen "virkelig med å bygge tillit til at våre maskinvareutvikling og programvarekontrollsystemer er på rett vei for å bygge en feiltolerant fotonisk kvantedatamaskin på Xanadu," forteller Lavoie Fysikkens verden.
