Китайские ученые достигли «квантового превосходства» с помощью фотонов

Именно такое достижение называется «квантовым превосходством» — использованием преимуществ квантовых компьютеров в задачах, решение которых на привычных полупроводниковых системах заняло бы на порядки больше времени. Китайские специалисты не первые, кому это удалось, но их схема радикально отличается от использованной прежним «рекордсменом» — компанией Google. Результаты своего эксперимента физики из Научно-технического университета Китая опубликовали в журнале Science Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS).

Созданный китайскими специалистами квантовый компьютер использует оптическую схему, в которой роль кубитов (единиц информации) играют одиночные фотоны. Такой подход имеет существенные плюсы — как минимум отпадает необходимость в громоздком охлаждающем оборудовании. Оптическая система может работать и при комнатной температуре. Из недостатков: требуется высочайшая точность настройки всех элементов, а архитектура не универсальна и создается под конкретную задачу. Кроме того, скорость генерации кубитов в фотонной схеме ниже, чем у других аналогов (сверхпроводниковых цепочек, как у Google, например).

В описываемом эксперименте квантовый компьютер решал задачу бозонного семплирования. Для этого использовали 50 состояний фотонов (учитывали поляризацию и положение в пространстве), 100 детекторов одиночных фотонов и 100-модовый интерферометр. Чтобы подтвердить случайность распределения, специалисты провели расчеты на мощнейшем китайском суперкомпьютере Sunway TaihuLight. Естественно, проводили не полные расчеты, а оценочные: свободных 2,5 миллиарда лет в распоряжении экспериментаторов не было. Интересный факт — на аренду времени мэйнфрейма для проверки данных пришлось потратить 400 тысяч долларов.

Важно отметить, что квантовые компьютеры сегодня только совершают первые шаги — до решения реальных задач с их помощью современным технологиям пока далеко. И предыдущее сообщение, и нынешнее достижение китайских специалистов — лишь демонстрации возможностей. Для их выполнения специально подбирают самые доступные из «невычислимых» для классических суперкомпьютеров алгоритмы.

По поводу «превосходства» детища Google — вычислителя Sycamore — на нашем сайте уже выходил скептичный обзор. Напомним лишь, что квантовый компьютер решил тестовую задачу за 200 секунд, а, по подсчетам авторов того же эксперимента, мэйнфрейм Summit бился бы над ней 100 тысяч лет. После таких громких заявлений построившая этот суперкомпьютер компания IBM проверила расчеты. Оказалось, в реальных условиях с использованием всех возможностей машины это произошло бы несколько быстрее — за 2,5 дня. Медленнее, но для «превосходства» все равно недостаточно.

Тем не менее в рамках эволюции квантовых компьютеров такие результаты важны. С того момента, как теоретически были предложены подобные вычислители, прошло менее полувека. Первые алгоритмы для квантовых вычислений появились только в 1990-х, а несколько кубитов сразу удерживать в стабильном состоянии так, чтобы еще и вычисления проводить, вовсе получилось совсем недавно — в конце 2000-х. По разным подсчетам, для создания квантового компьютера, который можно будет применять на практике, необходимо создать систему из не менее чем тысячи кубитов. При этом она должна обладать механизмами коррекции неизбежно возникающих ошибок.

Иными словами, если сравнивать квантовые вычисления с «обычными» полупроводниковыми компьютерами, они пока не доросли даже до разностной машины Бэббиджа. Многие современные ученые вовсе сомневаются, удастся ли когда-нибудь создать подобные вычислители на практике. Основной аргумент против возможности реализации применимого в реальных вычислениях квантового компьютера — невероятная сложность поддержания кубитов в невозмущенном состоянии. Кроме того, необходимо создать эффективные механизмы коррекции ошибок, которые могут быть сложнее, чем сам компьютер.