Решить сложную вычислительную проблему с помощью классического компьютера чрезвычайно сложно, а иногда и вовсе невозможно, но теоретически ее можно эффективно решить с помощью квантовых методов.
Исследовательские группы под руководством Цзянь-Вэй Пэна в лабораториях Китайского научно-технологического университета в Хэфэе и Шанхае сконструировали и запрограммировали фотонный компьютер Jiŭzhāng, имеющий квантовое превосходство в сравнении с компьютером Sycamore от Google, который полагается на технологию электронных сверхпроводников. Таким образом фотонная технология, используемая в Jiāzhāng существенно превосходит технологию компьютера Google.
Манипулируя квантовыми объектами достичь «квантового превосходства»
Квантовые компьютеры работают, манипулируя квантовыми объектами, такими как, например, отдельные фотоны, электроны или атомы, и используя уникальные квантовые свойства. Квантовые компьютеры обещают не только резкое увеличение скорости по сравнению с классическими компьютерами в различных вычислительных задачах. Ключевым и самым долгожданным этапом в развитии квантовых вычислений можно назвать достижение «квантового превосходства», т.е. способность этих компьютеров решать некоторые проблемы, практически недоступные для традиционных полупроводниковых систем.
Хотя в последние годы квантовая технология развивается быстрыми темпами, создание полноразмерного квантового компьютера все еще остается очень сложной задачей. Решение проблемы о том, какая архитектура и квантовые объекты в конечном итоге приведет к превосходству обычных суперкомпьютеров, все еще остается открытым. Текущие эксперименты показывают, что некоторые квантовые объекты лучше других подходят для решения конкретных вычислительных задач .
Беспрецедентная вычислительная мощностьь - кубиты, фотоны
Кубиты обладают беспрецедентной вычислительной мощностью из-за их способности существовать в двойном квантовом состоянии и, следовательно, выполнять множество вычислений одновременно. Исследователи ожидают, что, вооруженные достаточно стабильными кубитами, квантовые компьютеры встряхнут отрасли, начиная от искусственного интелекта и заканчивая финансами, транспортом и цепочками поставок.
Суть задачи состоит в создании и поддержке достаточного количества кубитов, чтобы квантовый компьютер стал полезным, для чего существуют разные способы. Квантовая технология, разработанная Google, например, полностью отличается от установки Jiuzhang, поскольку Google инвестирует в сверхпроводящие кубиты на основе металлов.
Это также предпочтительный квантовый метод IBM, и оба технологических гиганта вложили большие инвестиции в сверхпроводящие схемы, чтобы продвинуть исследования квантовых вычислений.
Однако, чтобы сверхпроводящие кубиты оставались управляемыми, их нужно хранить при очень низких температурах - более холодных, чем в глубоком космосе. Излишне говорить, что реализация этого на практике все еще является серьезным препятствием. Чрезвычайная чувствительность кубитов к их внешней среде также означает, что устройства сложно масштабировать.
Вычислительная мощность фотонов
Огромное преимущество фотонов - особого типа бозонов - заключается в их высокой подвижности. Компьютер для отбора проб бозонов использует фотоны, которые вставили в сложную оптическую сеть, где они могли распространяться по разным путям. Согласно законам квантовой физики, кажется, что фотоны проходят все возможные пути одновременно. Это называется суперпозицией. Результат вычислений можно записать, измеряя сколько фотонов выходит на какой выход сети.
Классический компьютер полагается на точное описание оптической сети для расчета распространения фотонов по этой цепи. Для нескольких десятков фотонов и оптической сети всего с сотней входов и выходов даже самый быстрый классический суперкомпьютер на сегодняшний день не может рассчитать распространение фотонов. Однако для компьютера для отбора проб бозонов эта амбициозная задача вполне достижима. Исследователи справились с задачей и построили свой прототип на основе теоретического предположения ученых.
Задача состоит в том, чтобы направить частицы света в сеть светоделителей и зеркал, которые дают фотонам несколько вариантов пути для прохождения, прежде чем они достигнут различных выходных портов. Однако фотоны обладают странными квантовыми свойствами, которые усложняют дело: невозможно детерминированно узнать, какой путь они выберут. Более того, если два идентичных фотона попадают в светоделитель в одно и то же время, они слипаются и оба перемещаются по одному и тому же случайно выбранному пути.
Все это очень затрудняет классическим компьютерам идентификацию закономерностей поведения фотонов и прогнозирование выходной конфигурации фотонов на основе того, как частицы были введены. Сложность расчета также экспоненциально возрастает по мере увеличения количества фотонов, что означает, что устройство отбора проб гауссовых бозонов трудно масштабировать.
Отбор проб бозона - это средство для расчета выходного сигнала прямой оптической схемы, имеющей несколько входов и выходов. Это осуществляется путем создания машины, в которой фотоны отправляются в цепь параллельно и, оказавшись внутри, разделяются светоделителями. Расщепленные фотоны продолжают движение по цепи, встречая зеркала и другие светоделители. Примечательно, что, если два фотона сталкиваются с одним и тем же разделителем одновременно, оба неразделенных фотона будут следовать по одному из путей от разделителя. Процесс повторяется, что приводит к распределению чисел, которые представляют выходной сигнал сети. Обычные компьютеры очень быстро «увязают» при попытке вычислить распределения такой системы. Jiuzhang же был построен для обработки 100 входов и 100 выходов с использованием 300 светоделителей и 75 зеркал.
Взлом уравнения выборки гауссовых бозонов имеет ограниченную полезность. На данный момент эксперимент фактически показал, что Jiuzhang лучше, чем классические компьютеры, решает одну очень специфическую задачу - моделирование непредсказуемого поведения фотонов. Однако это не означает, что в ближайшее время будет построен крупномасштабный квантовый компьютер для решения реальных проблем.
Ценность эксперимента скорее заключается в доказательстве того, что квантовые компьютеры на основе света могут быть столь же многообещающими, как и их аналоги, основанные на других принципах. Этот эксперимент демонстрирует высокий потенциал масштабируемых квантовых вычислений с использованием фотонов.
Недавно исследователи проявили интерес к фотонным квантовым компьютерам из-за того, что частицы света могут оставаться стабильными даже в неконтролируемой среде. В отличие от устройств на основе сверхпроводящих кубитов, фотоны не требуют чрезмерного охлаждения и теоретически могут масштабироваться намного быстрее.
Эксперимент по взятию проб бозона, о котором сообщила группа, - это настоящее проявление силы и иллюстрирует потенциал фотоники как платформы квантовой технологии. Это реальный шаг вперед в развитии технологий, использующих мощь квантовой физики для выполнения задач, которые невозможны с использованием существующих технологий.
Истинные возможности – в сравнении
В компьютерном мире доказательство того, что квантовый компьютер всегда превосходит классическую машину при работе над некоторыми трудными задачами, известно как квантовое превосходство. Но по мере того, как работа над созданием действительно полезного квантового компьютера продвигается, ученые продолжают раздвигать границы традиционных компьютеров. В результате исследователи изучают, как спроектировать и разработать соответствующие тесты для сравнения типов архитектур. В этой новой работе исследователи рассмотрели идею отбора проб бозонов с помощью фотонов в качестве теста для обоих типов машин. Предыдущие исследования этой идеи показали, что она бесполезна из-за проблем, связанных с утечкой фотонов из системы.
В своем исследовании команда выбрала гауссовский бозонный отбор (GBS), классический алгоритм моделирования, чтобы обеспечить высокоэффективный способ демонстрации скорости квантовых вычислений при решении некоторых четко определенных задач.
Проблема, которая называется выборкой гауссовских бозонов, представляет собой новую версию выборки бозонов, которая представляет собой аналогичную вычислительную задачу, которая была представлена несколько лет назад с целью демонстрации потенциальных преимуществ квантовых компьютеров над классическими.
По сравнению с Sycamore от Google, который имеет 53 квантовых бита (кубита), сделанных из сверхпроводящих цепей, которые находятся при сверхнизких температурах, Jiuzhang более приспособлен к окружающей среде, поскольку почти все его части, кроме секции обнаружения, могут работать при комнатной температуре. Это первый раз, когда квантовое преимущество было продемонстрировано с помощью света или фотоники.
Однако, эксперты отмечают, что пока что, в отличие от Google Sycamore, фотонная схема китайской команды не является программируемой, поэтому ее пока нельзя использовать для решения практических задач. Если команде удастся создать достаточно эффективный программируемый чип, можно будет решить много важных вычислительных проблем. Среди которых - предсказание того, как белки стыкуются друг с другом или как молекулы вибрируют. Его суперкомпьютерные возможности имеют потенциал применения в таких областях, как теория графов, машинное обучение и квантовая химия.
Квантовая технология и практические вычисления
Таким образом, новая веха, достигнутая командой из Университета науки и технологий Китая, скорее всего, придаст новый импульс продолжающейся гонке по созданию квантовых технологий. Google и IBM - это лишь два примера участников, имеющих возможности значительного финансирования.
В целом ожидается, что квантовые вычисления принесут людям революционные инновации. Эта технология, хотя и незнакомая большинству людей, будет тесно связана со здоровьем и их повседневной жизнью в будущем. Такие вычисления также могут использоваться для разработки противовирусных лекарств с их большой поисковой и вычислительной мощностью, которые могут быстро определить наиболее подходящую молекулярную структуру лекарства. Некоторые инфекционные вирусы, такие как COVID-19, могут быть скоро устранены в эпоху квантовых вычислений, поскольку вскоре могут быть разработаны лекарства.
Но пока квантовая технология все еще находится в зачаточном состоянии и пока не имеет широкого практического применения за пределами исследовательских лабораторий в течение многих лет.
Несмотря на дистанцию между реальностью и воображением, эксперты с большим оптимизмом смотрят в будущее и верят, что квантовые компьютеры принесут в мир революционные инновации, поскольку их приложения будут улучшать повседневную жизнь.
