Группа китайских учёных под руководством Jian-Wei Pan из Института науки и технологий Хэфея впервые продемонстрировала квантовое вычислительное превосходство в оптической системе. Информация о работе опубликована в журнале «Science».

Удивительная в своей сложности машина, которую исследователи назвали Jiuzhang, реализует так называемый gaussian boson sampling (GBS) - алгоритм сэмплирования (выборки) распределения фотоотсчётов на выходе огромного 100-модового оптического интерферометра со специальными сжатыми состояниями света на входе. Учёным удалось минимизировать потери фотонов и обеспечить скорость сэмплирования, на порядки превосходящую лучшие классические алгоритмы для этой задачи. По сообщению китайских ученых, с решением данной задачи устройство справляется в 100 триллионов раз быстрее, чем обычный суперкомпьютер.

Отметим, что GBS относится к специальным алгоритмам, предложенным для демонстрации большей скорости квантовых вычислений при решении некоторых четко определенных задач по сравнению с современными суперкомпьютерами. Иначе говоря, для демонстрации квантового превосходства.

При этом, как ожидается, решение задачи GBS может иметь и практическое приложение. Например, потенциально её можно использовать для решения задач на базе теории графов или использовать в квантовой химии.

В GBS и её вариантах неклассический свет инжектируется в линейную оптическую сеть, а на выходе сильно случайное, запутанное по числу фотонов и пути состояние измеряется однофотонными детекторами. Размерность запутанного состояния растёт экспоненциально как с числом фотонов, так и с модами, что делает невозможным хранение амплитуд квантовых вероятностей.

Ранее несколько групп учёных уже демонстрировали GBS с малым числом фотонов (до пяти), однако при решении масштабной задачи такого рода исследователи столкнулась со значительными трудностями. Одной из основных проблем при масштабировании рассматриваемой схемы являются оптические потери, к которым очень чувствительны сжатые состояния света. Именно для минимизации потерь китайской группой была выбрана реализация в виде большого пространственного интерферометра, а не интегрально-оптической схемы. Такой путь, конечно же, существенно усложняет экспериментальную установку, и дальнейшее масштабирование, скорее всего, станет возможным только в интегральном исполнении. Для этого крайне важно разрабатывать технологии интегральной фотоники со сверхнизкими потерями.

Достижение, продемонстрированное китайскими учеными, - огромный шаг к созданию квантового вычислителя на базе оптической платформы. Отметим, что над созданием таких  платформ, способных решать различные типы задач, работают и в других научных центрах во всем мире. В частности, такая работа ведётся и в Центре квантовых технологий МГУ.

Фото на заставке: PhysicsWorld