Kitajci dosegli kvantno prednost s fotonskim sistemom

Raziskovalci iz Hefeja so za Googlovimi drugi na svetu, ki so s kvantnim računskim strojem rešili problem, za katerega bi klasičen računalnik potreboval nepraktično veliko časa. Njihov samosvoj pristop z optično napravo po eni plati pomeni trdnejši primer kvantne prednosti od Googlovega, toda hkrati je verjetno bolj oddaljen od praktične rabe.

Kvantni računalniki obljubljajo, da bodo pri nekaterih sortah problemov močno prekašali klasične in izvajali operacije, za katere bi današnji superračunalniki potrebovali več časa, kot pa je staro vesolje. Toda na tej stopnji še nismo, razlog pa leži v tehnični zapletenosti. Kvantni računski stroji za osnovno enoto informacije uporabljajo kubit (kvantni bit), ki je med preračunavanjem v kvantni superpoziciji stanj 0 in 1. Fizična implementacija kubitov še ni dorečena, kajti inženirji se soočajo z vrsto problemov, kot so motnje, ki sesujejo superpozicijo, kakor hitro imamo na kupu več kot nekaj deset kubitov. Toda zmogljivost takšnega računalnika je odvisna ravno od števila razpoložljivih kubitov, saj v teoriji eksponentno narašča z njihovim številom. Zato smo trenutno priča iskanju problemov, na katerih bi bilo možno že z razmeroma majhnim številom kubitov pokazati tako imenovano "kvantno prednost" (quantum advantage), oziroma pojav, ko kvantni računalnik nekaj izračuna bistveno hitreje od klasičnega. Izraz je sicer naslednik razvpite in manj primerne "kvantne premoči" (quantum supremacy), ki se ne uporablja več.

Lanskega oktobra so pri Googlu prvi pompozno oznanili kvantno prednost, in sicer s 54-kubitno napravo Sycamore, ki uporablja kubite iz superprevodnih zank ali transmone. Z njo so v 200 sekundah rešili nalogo, za katero naj bi superračunalniki potrebovali na desettisoče let. Pri IBMu in tudi drugod so ugovarjali, da je mogoče klasične algoritme prirediti tako, da se v grobem kar približajo hitrosti Sycamora pri tej nalogi, zato je ostala odprta tekma za rešitvami, ki bi kvantno prednost pokazale bolj odločno. Znanstveniki s Kitajske univerze za znanost in tehnologijo v Hefeju so se tako oklenili precej eksotičnega računskega problema vzorčenja bozonov (boson sampling). Gre za koncept, oblikovan šele leta 2011, pri katerem se elementarne delce bozone, kamor spadajo na primer fotoni svetlobe, pošlje skozi zapleteno progo, posejano z razcepniki žarkov. Če se dva fotona na razcepniku znajdeta ob natanko pravem času, ne gresta vsak svojo pot, temveč v isti smeri. Če želimo dognati, kakšno sliko na izhodu da nek skupek fotonov, nastane računski problem vrste #P-hard, ki je za klasične računalnike izjemno zahteven.

Kitajci so svoj podvig popisali v reviji Science. Uporabili so posebno podsorto prijema, imenovano Gaussovo bozonsko vzorčenje (GBS), kjer se namesto posameznih fotonov uporablja stisnjena stanja svetlobe. Iz linearnih optičnih elementov so sestavili napravo s 100 vhodi in izhodi, 300 optičnimi razcepniki in 75 zrcali, ki so jo poimenovali Jiuzhang. Z njo so v 200 sekundah izračunali vrednosti, za katere bi njihov superračunalnik TaihuLight teoretično potreboval dve in pol milijardi let, japonski Fugaku, ki je trenutni prvak, pa 600 milijonov let. Seveda gre za dejstvo, da so tu inženirji dobesedno fizično implementirali predloženi kvantni računski problem, toda nesporno gre za vrhunski tehnološki podvig, ki mu s stališča doseganja kvantne prednosti ni moč dosti oporekati.

Po drugi plati pa bo Jiuzhang zaradi stroge specifike verjetno težje predelati v napravo, ki bi jo bilo moč širše praktično uporabljati. Medtem ko je Googlov Sycamore načeloma programabilen računalnik, pa za kitajsko napravo to ne drži in je s tem drugačna tudi od splošnih fotonskih kvantnih računalnikov, kakršne je na primer letošnjo jesen predstavilo podjetje Xanadu. Jiuzhang zna samo vzorčiti bozone in nič drugega; a Kitajci trdijo, da bo mogoče tudi za takšne koncepte najti konkretno rabo. Omenja se med drugim simulacije v kvantni kemiji in generiranje naključnih števil pri šifriranju.