Фотонный квантовый компьютер из Китая достиг квантового превосходства

Китайские физики разработали и протестировали прототип квантового компьютера, использующего фотоны, который продемонстрировал квантовое превосходство на модельной вычислительной задаче, связанной с «сортировкой» фотонов в оптической цепи.

Квантовый компьютер создатели назвали Jiuzhang (Цзючжан, 九章; это сочетание переводится как «девять глав», или «девять частей», название отсылает к древнему китайскому трактату «Математика в девяти книгах»). Результаты решения модельной задачи «сортировки» на таком компьютере квантов света — фотонов опубликованы в начале декабря 2020 года в Science. Коллектив из 24 авторов в основном представляет Научно-технический университет Китая в г. Хэфэй и ещё несколько научных заведений КНР.

На определённых задачах квантовые компьютеры в теории способны значительно превосходить по производительности компьютеры стандартной архитектуры. Такое их желаемое свойство называют квантовым превосходством (quantum supremacy). На сегодня подтверждённое квантовое превосходство было продемонстрировано в конце 2019 года только на одном устройства — на процессоре Sycamore компании Google (более подробную заметку об этом мы публиковали ранее). Кубиты (элементарные вычислительные единицы для квантовых вычислений — аналог битов в обычных архитектурах) на компьютере Google реализованы на сверхпроводящих материалах, но изучаются и другие возможности их физической реализации. Китайские исследователи разработали квантовый компьютер, использующий фотоны.

Пока для демонстрации возможностей квантовых вычислений используются специально подобранные или придуманные задачи, которые часто имеют это единственное применение. Экспериментальной площадкой для фотонного компьютера стала задача гауссовского бозонного сэмплирования (Gaussian boson sampling, GBS) — некоторый алгоритм квантовой оптики, недавно предложенный именно как задача для тестирования возможностей квантовых вычислений. Эта задача предполагает пропускание определённого количества одинаковых фотонов (бозонных частиц) через сложную оптическую цепь — набор оптических элементов, которые разделяют пучки света, сдвигают их фазы, соединяют их вместе, приводя к интерференции, и в конечном итоге выводят свет на множество выходов, на каждом из которых можно измерить количество результирующих фотонов в определённых состояниях. Задача состоит в просчитывании (вероятностных) результатов работы такого «чёрного ящика», составленного определённым образом. Вычислительная сложность экспоненциально возрастает с увеличением количества исходных фотонов. Для небольшого количества (трёх-четырёх) фотонов такие вычисления можно выполнить и на домашнем компьютере, но когда количество частиц на входе измеряется десятками, прогнозируемое расчётное время становится несоизмеримо большим (например, тысячи или миллионы лет на суперкомпьютерах). С другой стороны, компьютер с недвоичной архитектурой, в частности, квантовый компьютер, подходит к решению задачи, исходя из других принципов, что может качественно изменить её вычислительную сложность: например, вместо экспоненциальной сложности можно добиться полиномиальной — и время вычислений остаётся разумным даже для большого количества частиц.

Компьютер Jiuzhang и является очень разветвлённой, но линейной оптической цепью. Установка включает множество оптических устройств, по которым проходит свет — источники, светоделители, зеркала и детекторы фотонов на выходе. Ключевой элемент схемы — то, что на входе используются не единичные фотоны, которые, к тому же, трудно «изготовить» для таких устройств, а специальным образом подготовленные наборы — суперпозиции состояний.

Вместо отдельного фотона используется волновой пакет, который легче приготовить и который в большей степени напоминает какую-либо классическую частицу (отсюда слово «гауссовский» в названии алгоритма GBS). В модели Jiuzhang в «чёрном ящике» реализована матрица 100×100, то есть 100 входов и 100 выходов для фотонов, а само устройство содержит 300 оптических разделителей и 75 зеркал. Вся конструкция размещается на оптическом столе размерами около трёх метров, исходные фотоны вбрасываются в систему при помощи коротких лазерных импульсов, и перед входом в само вычислительное устройство из них подготавливаются нужные комбинации фотонных состояний. Фотоны после прохождения цепи отмечаются на выходных детекторах (как на доске Гальтона в иллюстрации выше), и «вычисленное» таким образом распределение сравнивается со статистическими предсказаниями, а также — с «невозможными» распределениями в предположении, что оптический компьютер влияет на систему фотонов не больше, чем тепловое окружение (одно из распространённых сомнений физиков против применимости фотонных квантовых вычислений).

На решение этой задачи на квантовом компьютере Jiuzhang потребовалось около 200 секунд на каждом прогоне. Время решения этой же задачи на суперкомпьютерах с традиционной архитектурой исчисляется миллиардами лет, что, по мнению авторов, является достаточным доказательством достижения квантового превосходства. Для сравнения использовались экстраполированные оценки производительности китайского суперкомпьютера Sunway TaihuLight и аналогичного японского Fugaku. Тут нужно оговориться, что доказательства достижения квантового превосходства процессором Sycamore в публикации 2019 года включали солидную базу статистических расчётов, связанных с оценкой надёжности, воспроизводимости результата, влияния шумов, устойчивости схемы из-за необходимости синхронизации большого числа конструктивных элементов с квантовыми свойствами, и пр. Статья китайских авторов в этом отношении несколько проигрывает, и это заметно даже по первой реакции специалистов на новость в соцсетях.

«Китайский» компьютер обладает ещё одним недостатком, сильно умаляющим заявленный результат. Как и доска Гальтона, этот компьютер предназначен для решения одной-единственной задачи бозонного сэмплирования. В то же время впервые продемонстрировавший квантовое превосходство квантовый компьютер от Google на сверхпроводниковых кубитах можно запрограммировать для разных алгоритмов. Более того, в мире разрабатываются фотонные квантовые компьютеры, которые, в отличие от этой китайской модели, также можно программировать. Может быть, это одна из причин, по которым известие ещё не получило такого резонанса в научных кругах, как достижение квантового превосходства на процессоре Sycamore. Например, про компьютер Jiuzhang в википедии на сегодня есть только одна статья из нескольких предложений — и та в китайской языковой версии. Косвенно это может указывать и на реальную значимость результатов, но в любом случае стоит дождаться реакции научного сообщества на статью в Science.

Эксперимент на компьютере-прототипе Jiuzhang может привлечь внимание к квантовым компьютерам, реализованным на принципах фотоники. Оптические квантовые вычисления как направление исследований сейчас находятся в тени по сравнению с решениями на сверхпроводниках, ультрахолодных ионах, полупроводниковых квантовых точках и т. д. Возможно, этот результат несколько выровняет дисбаланс и оживит прикладной интерес к квантовой оптике.