Naukowcy z Xanadu, kanadyjska firma specjalizująca się w fotonicznych obliczeniach kwantowych, twierdzi, że osiągnęła kwantową przewagę obliczeniową dzięki eksperymentowi przeprowadzonemu na dostępnej w chmurze maszynie Borealis. Termin „przewaga kwantowa” (czasami nazywana supremacją kwantową) odnosi się do sytuacji, w której maszyna kwantowa wykonuje określone zadania obliczeniowe, które byłyby niewykonalne dla klasycznego komputera. Najnowszy eksperyment, polegający na wykonywaniu pomiarów odpowiadających pobraniu próbki z rozkładu, zajmuje Borealis Xanadu 36 mikrosekund na próbkę, podczas gdy zespół szacuje, że najszybszy superkomputer na świecie potrzebuje 9000 lat, aby zamodelować ten sam eksperyment przy użyciu najlepszych znanych algorytmów. .
Zadanie w tym eksperymencie jest przykładem próbkowania bozonów Gaussa (GBS) – uproszczonej struktury dla optycznych komputerów kwantowych, w której stany kwantowe światła są przesyłane przez interferometr (sieć optyczna z przestrajalnymi parametrami określającymi sposób interferencji fotonów) przed pomiarem na wyjściach. Ten projekt jest prostszy niż uniwersalny komputer kwantowy i jako Jonathana Lavoie, lider zespołu integracji systemów w Xanadu, wyjaśnia, że ma ograniczone aplikacje. „Ważne jest, aby podkreślić, że maszyny przewagi kwantowej są budowane w celu udowodnienia czegoś fundamentalnego na temat mocy obliczeń kwantowych, niekoniecznie w celu rozwiązania bezpośredniego „użytecznego” problemu”, mówi Lavoie. „Ten ostatni prawdopodobnie będzie wymagał tolerancji na błędy i korekcji błędów”.
Opierając się na poprzednich wynikach przewagi kwantowej
Poprzednie twierdzenia o kwantowej przewadze obliczeniowej spotkały się z pewnymi kontrowersją. W 2019, zespół w Google ogłoszona przewaga kwantowa przy użyciu technologii nadprzewodzącej (zamiast fotonicznej), chociaż było to dyskutowana w społeczności. Niedawno eksperymentatorzy z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Chinach dokonali podobne roszczenia dla dwóch eksperymentów (również wykonujących GBS) znanych jako jiuzhang i Jiuzhang 2.0. Chociaż jest to spore osiągnięcie technologiczne, dalsze artykuły zadają pytania dotyczące ich wyników. Nicolas Quesada, który kierował projektem wraz z Lavoie, a obecnie jest adiunktem w Polytechnique Montréal, zauważa, że „potrzebnych jest więcej narzędzi teorii i weryfikacji”. Prace Quesady nadal skupiają się na tych zadaniach weryfikacyjnych.
Borealis różni się od Jiuzhanga na kilka sposobów, w tym rozmiarem: z 216 różnymi trybami (różnymi dostępnymi stanami kwantowymi), maszyna Xanadu stanowi znaczny wzrost w stosunku do poprzedniego rekordu 144. Xanadu wykorzystuje również nowy projekt GBS, który opóźnia fotony w pętlach optycznych włókna, zanim zakłócą kolejne impulsy, co pomaga tłumić błędy i poprawia skalowalność. Jednym szczególnym osiągnięciem tej ostatniej pracy są techniki zastosowane do stabilizacji tych włókien do długości znacznie poniżej rzędu długości fali światła, jak omówiono w blogu opublikowane przez zespół Xanadu.
Nowa konfiguracja oznacza, że nie można przeprowadzić wszystkich możliwych konfiguracji GBS. „W przypadku fotoniki, gdy chce się zakodować interesujące problemy odzwierciedlające rzeczywiste instancje aplikacji, potrzebny jest dostęp do uniwersalnego programowalnego interferometru, który zazwyczaj pociąga za sobą znaczne straty” — mówi Quesada. „Więc jest to zdecydowanie trudne wyzwanie”.
Borealis pozwala jednak na pełną programowalność w granicach proponowanej struktury, podczas gdy poprzednie eksperymenty GBS tej skali miały stałe interakcje między modami. Dodatkową elastyczność zapewniają postępy w generowaniu stanów kwantowych światła, szybkość detekcji i szybkie przełączanie elektrooptyczne, które zmienia ustawienia elementów, przy których impulsy interferują z wystarczająco dużą prędkością, aby zrealizować wszystkie możliwe operacje.
Klasyczne komputery ścigają się, by dogonić przewagę kwantową
Borealis jest wyjątkowy wśród demonstracji przewagi kwantowej, ponieważ społeczeństwo może teraz uzyskać dostęp do tej maszyny i zdalnie przesyłać zadania za pośrednictwem usługi w chmurze Xanadu. Jednak nadal nie jest pewne, czy GBS przeprowadzi jakiekolwiek użyteczne obliczenia poza wykazaniem przewagi kwantowej. Co więcej, jak wyjaśnia Quesada, jeśli chodzi o zastosowania GBS, potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć, „czy istnieją klasyczne algorytmy, które mogą wykonać zadanie wystarczająco dobrze, niwelując tym samym potrzebę maszyn kwantowych”. Niemniej jednak to osiągnięcie „naprawdę pomaga zbudować pewność, że nasz rozwój sprzętu i systemy kontroli oprogramowania są na właściwej drodze do zbudowania odpornego na uszkodzenia fotonicznego komputera kwantowego w Xanadu”, mówi Lavoie. Świat Fizyki.
