Китайские физики разработали и протестировали макет квантового компа, использующего фотоны, который показал квантовое приемущество на модельной вычислительной задачке, связанной с «сортировкой» фотонов в оптической цепи.
Квантовый комп создатели окрестили Jiuzhang (Цзючжан, 九章; это сочетание переводится как «девять глав», либо «девять частей», заглавие отсылает к старому китайскому трактату «Математика в 9 книжках»). Результаты решения модельной задачки «сортировки» на таком компе квантов света — фотонов размещены в начале декабря 2020 года в Science. Коллектив из 24 создателей в основном представляет Научно-технический институт Китая в г. Хэфэй и ещё несколько научных заведений КНР (Китайская Народная Республика — государство в Восточной Азии. Крупнейшее по численности населения государство мира).
На определённых задачках квантовые компы в теории способны существенно превосходить по производительности компы обычной архитектуры. Такое их хотимое свойство именуют квантовым приемуществом (quantum supremacy). На сейчас подтверждённое квантовое приемущество было продемонстрировано в конце 2019 года лишь на одном устройства — на микропроцессоре Sycamore компании Гугл (наиболее подробную заметку о этом мы публиковали ранее). Кубиты (простые вычислительные единицы для квантовых вычислений — аналог битов в обыденных архитектурах) на компе Гугл реализованы на сверхпроводящих материалах, но изучаются и остальные способности их физической реализации. Китайские исследователи разработали квантовый комп, использующий фотоны.
Лаборатория квантового моделирования Академии КНР (Китайская Народная Республика — государство в Восточной Азии. Крупнейшее по численности населения государство мира), Шанхай. Xinhua/Cai Yang.
Пока для демонстрации способностей квантовых вычислений употребляются специально подобранные либо выдуманные задачки, которые нередко имеют это единственное применение. Экспериментальной площадкой для фотонного компа стала задачка гауссовского бозонного сэмплирования (Gaussian boson sampling, GBS) — некий метод квантовой оптики, не так давно предложенный конкретно как задачка для тестирования способностей квантовых вычислений. Эта задачка подразумевает пропускание определённого количества схожих фотонов (бозонных частиц) через сложную оптическую цепь — набор оптических частей, которые делят пучки света, сдвигают их фазы, соединяют их вкупе, приводя к интерференции, и в конечном итоге выводят свет на огромное количество выходов, на любом из которых можно измерить количество результирующих фотонов в определённых состояниях. Задачка состоит в просчитывании (вероятностных) результатов работы такового «чёрного ящика», составленного определённым образом. Вычислительная сложность экспоненциально увеличивается с повышением количества начальных фотонов. Для маленького количества (трёх-четырёх) фотонов такие вычисления можно выполнить и на домашнем компе, но когда количество частиц на входе измеряется десятками, прогнозируемое расчётное время становится несравненно огромным (к примеру, тыщи либо миллионы лет на суперкомпьютерах). С иной стороны, комп с недвоичной архитектурой, в частности, квантовый комп, подступает к решению задачки, исходя из остальных принципов, что может отменно поменять её вычислительную сложность: к примеру, заместо экспоненциальной трудности можно достигнуть полиномиальной — и время вычислений остаётся разумным даже для огромного количества частиц.
https://22century.ru/wp-content/uploads/2020/12/galton-board-large_1_mobile_1.mp4 Доска Гальтона — аналоговый комп для единственной задачки.
Принцип убыстрения вычислений можно проиллюстрировать на традиционном уровне как работу простого «компа» в виде лабиринта для падающих шариков, либо доски Гальтона (Galton’s board). Такую игрушку употребляют, к примеру, для демонстрации биноминального распределения по «плетенкам» понизу, которое в итоге образуют падающие сверху и рассеивающиеся на штырьках шарики. Просчёт таковой схемы на обыкновенном компе востребовал бы вычисления линии движения всякого шарика опосля всякого столкновения с препятствием; в то же время этот «аналоговый комп» мгновенно даёт результирующее распределение.
Комп Jiuzhang и является весьма разветвлённой, но линейной оптической цепью. Установка включает огромное количество оптических устройств, по которым проходит свет — источники, светоделители, зеркала и сенсоры фотонов на выходе. Главный элемент схемы — то, что на входе употребляются не единичные фотоны, которые, к тому же, тяжело «сделать» для таковых устройств, а особым образом приготовленные наборы — суперпозиции состояний. Оптическая цепь квантового компа. H.-S.Zhong et al., Science, eabe8770 (2020). Заместо отдельного фотона употребляется волновой пакет, который легче приготовить и который в большей степени припоминает какую-либо традиционную частичку (отсюда слово «гауссовский» в заглавии метода GBS). В модели Jiuzhang в «чёрном ящике» реализована матрица 100×100, другими словами 100 входов и 100 выходов для фотонов, а само устройство содержит 300 оптических разделителей и 75 зеркал. Вся система располагается на оптическом столе размерами около трёх метров, начальные фотоны вбрасываются в систему с помощью маленьких лазерных импульсов, и перед входом в само вычислительное устройство из их подготавливаются нужные композиции фотонных состояний. Фотоны опосля прохождения цепи отмечаются на выходных сенсорах (как на доске Гальтона в иллюстрации выше), и «вычисленное» таковым образом распределение сравнивается со статистическими пророчествами, а также — с «неосуществимыми» распределениями в предположении, что оптический комп влияет на систему фотонов не больше, чем термическое свита (одно из распространённых колебаний физиков против применимости фотонных квантовых вычислений).
На решение данной для нас задачки на квантовом компе Jiuzhang потребовалось около 200 секунд на любом прогоне. Время решения данной для нас же задачки на суперкомпьютерах с классической архитектурой исчисляется млрд лет, что, по воззрению создателей, является достаточным подтверждением заслуги квантового приемущества. Для сопоставления использовались экстраполированные оценки производительности китайского суперкомпьютера Sunway TaihuLight и аналогичного японского Fugaku. Здесь необходимо обмолвиться, что подтверждения заслуги квантового приемущества микропроцессором Sycamore в публикации 2019 года включали внушительную базу статистических расчётов, связанных с оценкой надёжности, воспроизводимости результата, воздействия шумов, стойкости схемы из-за необходимости синхронизации огромного числа конструктивных частей с квантовыми качествами, и пр. Статья китайских создателей в этом отношении несколько проигрывает, и это приметно даже по первой реакции профессионалов на новость в соцсетях.
Подготовка начальных состояний фотонов для квантового компа. Science (2020).
«Китайский» комп владеет ещё одним недочетом, очень умаляющим заявленный итог. Как и доска Гальтона, этот комп предназначен для решения одной-единственной задачки бозонного сэмплирования. В то же время в первый раз продемонстрировавший квантовое приемущество квантовый комп от Гугл на сверхпроводниковых кубитах можно запрограммировать для различных алгоритмов. Наиболее того, в мире разрабатываются фотонные квантовые компы, которые, в отличие от данной для нас китайской модели, также можно программировать. Быть может, это одна из обстоятельств, по которым весть ещё не получило такового резонанса в научных кругах, как достижение квантового приемущества на микропроцессоре Sycamore. К примеру, про комп Jiuzhang в википедии на сейчас есть лишь одна статья из нескольких предложений — и та в китайской языковой версии. Косвенно это может указывать и на настоящую значимость результатов, но в любом случае стоит дождаться реакции научного общества на статью в Science.
Опыт на компьютере-прототипе Jiuzhang может привлечь внимание к квантовым компам, реализованным на принципах фотоники. Оптические квантовые вычисления как направление исследовательских работ на данный момент находятся в тени по сопоставлению с решениями на сверхпроводниках, ультрахолодных ионах, полупроводниковых квантовых точках и т. д. Может быть, этот итог несколько выровняет дисбаланс и воскресит прикладной энтузиазм к квантовой оптике.
Квантовый комп «Цзючжан».
