Физики из шанхайского Китайского университета науки и технологий (USTC) на собственном квантовом компьютере Jzhāng реализовали опыт по отбору проб гауссовских бозонов. Квантовая система Jzhāng за 200 секунд отобрала 76 фотонов, тогда как классическому суперкомпьютеру на это потребовалось бы 2,5 млрд лет.
Поставленный в китайском университете эксперимент — это даже не проба пера. Учёные всё ещё находятся в сомнениях по поводу выбора физических принципов, на которых можно строить квантовые вычислители, и даже не уверены в выборе круга задач, с которыми квантовые системы будут справляться лучше, чем классические. Поэтому полученный опыт, пусть даже он не повлечёт за собой никаких практических результатов в ближайшем будущем, не менее важен, чем очевидный прорыв.
В своё время физики-теоретики много надежд связывали с оптическими (фотонными) квантовыми вычислителями. Это было связано с тем, что фотоны обещали стать кубитами при комнатной температуре, что резко упрощало бы сборку и эксплуатацию квантовых систем. На практике для создания многокубитовой оптической квантовой системы потребовались бы миллионы лазеров и сотни миллионов зеркал, призм и много чего другого, что заставляло забыть о пресловутом квантовом превосходстве оптических квантовых вычислителей над классическими.
Поставленный китайцами опыт как раз показал, что даже с ограниченным набором компонентов оптическая квантовая система способна превзойти классическую, а значит, перспективы на этом направлении есть, надо только работать и работать.
Задача по отбору проб гауссовских бозонов классическим компьютером решается матричным методом, что экспоненциально увеличивает время расчёта по мере увеличения числа определённых частиц. Оптический квантовый компьютер сам себе действующая модель по отбору проб гауссовских бозонов. Чтобы вычислить результат, надо просто поставить эксперимент. И если на каждый цикл отбора на квантовой системе уходит до 200 секунд, то суперкомпьютер должен потратить на это несопоставимо больше времени.
Впрочем, китайская установка, представленная физиками, тоже не простая. Излучение лазера расщепляется на 25 лучей и поражает 25 кристаллов титанилфосфата калия. После попадания в каждый кристалл из него в противоположных направлениях вылетает два фотона. Фотоны попадают в 100 входов, каждый из которых ведёт по маршруту из 300 призм и 75 зеркал. Выходов у системы тоже 100 с датчиками на конце, которые и регистрируют дошедшие до финиша частицы. В среднем за 200-секундные циклы группа USTC обнаружила около 43 фотонов за запуск. Но за один раз они наблюдали 76 фотонов — этого более чем достаточно, чтобы оправдать заявку на квантовое превосходство.
Классический компьютер при удачных обстоятельствах способен вычислить 50 фотонов за двое суток расчётов, а на отбор 76 фотонов может понадобиться 2,5 млрд лет, как говорит экстраполяция.
Помимо доказательства принципиальной возможности добиться квантового превосходства на оптическом квантовом вычислителе, полученный результат теоретически можно будет применить для решения практических задач в недалёком будущем. Например, для решения специализированных задач в квантовой химии и математике. В более широком смысле возможность управлять фотонами как кубитами является предпосылкой для создания в будущем крупномасштабного квантового Интернета или его ключевых элементов. Иными словами, в данном случае уместен тезис «дорогу осилит идущий».
