Когда в конце 2019 года Google представил свою беспрецедентную демонстрацию преимущества квантовых вычислений над классическими вычислениями, китайские исследователи сообщили о прогрессе в их собственной важной демонстрации.

Чуть более года спустя китайская команда показала другой, но не менее захватывающий путь вперед для квантовых вычислений, добившись второй известной демонстрации преимущества квантовых вычислений, также известной как квантовое превосходство.

Это новое открытие не только подтверждает, что квантовые компьютеры могут решать определенные проблемы быстрее, чем обычные суперкомпьютеры. (Это часть «превосходства».) Это также добавляет удивительный поворот: теперь кажется возможным достичь феноменальных вычислительных возможностей с помощью лазеров и нелинейных кристаллов. Фотонные системы  иногда считались скорее связующим звеном между квантовыми устройствами, чем ядром самого квантового компьютера. 

Больше никогда. 

«В октябре 2019 года мы были уверены, что очень близки к рубежу квантовых преимуществ, - говорит Чао-Ян Лу , квантовый физик из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе.

Чтобы достичь этой вехи в этом году, Лу и его коллеги разработали одну из самых сложных версий эксперимента по квантовым вычислениям на основе света. По  сути, это лабиринт для прохождения идентичных фотонов в зависимости от квантовых свойств фотонов.

Теоретики Массачусетского технологического института  Скотт Ааронсон  и Александр Архипов впервые представили подобное устройство  в 2010 году . Они назвали это машиной для отбора проб бозонов . 

Детекторы фотонов этой машины могут помочь выяснить, где в конечном итоге попадают случайно распределенные фотоны. Это очень сложная математическая проблема. И это своего рода математическая задача, с которой классический компьютер увязнет по мере увеличения числа распределенных фотонов.

В этом случае квантовое преимущество или превосходство достигается, когда даже самым быстрым суперкомпьютерам требуется значительно больше времени для решения проблемы распределения фотонов, чем требуется квантовой системе.

Во главе с квантовым физиком Jian-Wei Pan в  Университете науки и технике Китая, группа построила большую установку настольной , состоящую из лазеров в качестве источника света и светоделителей , чтобы помочь создать отдельные фотоны, вместе с сотнями призм и десятков зеркала, чтобы обеспечить случайные траектории движения фотонов. 

Это позволило квантовому вычислительному оборудованию команды под названием Jiŭzhāng обнаруживать в среднем 43 фотона во время экспериментальных прогонов продолжительностью 200 секунд. Для сравнения, третьему по скорости классическому суперкомпьютеру в мире , Sunway TaihuLight , потребовалось бы целых два дня для расчета распределения для 50 фотонов, согласно статье группы, опубликованной в недавнем выпуске журнала Science .

Скотт Ааронсон, который в настоящее время работает в Техасском университете в Остине, написал сообщение в блоге, в котором назвал себя «удовлетворенным» работой китайской команды. Другие исследователи, которые ранее работали над более ранними и меньшими версиями машин для отбора проб бозонов, также высоко оценили эксперимент.

«Это действительно показывает, что это была сверхтяжелая работа, очень впечатляющая инженерия, очень впечатляющий контроль и заслуженный результат, оправдывающий публикацию», - говорит  Филип Вальтер , квантовый физик из Венского университета.

Новое китайское исследование отличается от заявления команды Google о квантовом превосходстве по нескольким ключевым причинам. Примечательно, что демонстрация Google в 2019 году 54-кубитного квантового компьютера под названием Sycamore опиралась на совершенно другую архитектуру, основанную на сверхпроводящих металлических петлях. Аппаратные средства квантовых вычислений, основанные на массивах таких сверхпроводящих кубитов, получили признание среди технологических гигантов, таких как Google ,  IBM и Intel . 

Другие компании, такие как Honeywell и IonQ , разрабатывают альтернативные архитектуры квантовых вычислений на основе захваченных ионов. А в Австралии компания Silicon Quantum Computing занимается разработкой квантовых компьютеров на основе кремниевых кубитов со спиновым механизмом .

Демонстрация выборки бозонов китайской группой остается довольно специализированным экспериментом, предназначенным для доказательства преимущества квантовых вычислений над классическими вычислениями, а не для немедленного практического применения. Это делает его использование гораздо более ограниченным, чем использование квантового процессора Sycamore от Google, который предназначен для программирования для множества различных приложений.

«Одна из проблем с этой великолепной демонстрацией заключается в том, что она не программируема, -  говорит  Кристиан Видбрук , основатель и генеральный директор стартапа Xanadu, занимающегося квантовыми вычислениями из Торонто.  «Что касается приложений, вам действительно нужна полная программируемость, а это не программируемость».

Несколько компаний уже разрабатывают фотонные квантовые компьютеры, которые могут быть ближе к коммерциализации, даже если они еще не достигли публичного масштаба китайской команды. Стартап PsiQuantum из Пало-Альто остается в скрытом режиме, собрав от инвесторов не менее 215 миллионов долларов на разработку собственной версии фотонного квантового компьютера.

Со своей стороны, стартап Уидбрука Xanadu разрабатывает программируемую версию фотонных квантовых вычислений, основанную на интегрированной кремниевой фотонике, которая могла бы уместиться на компьютерном чипе, а не на столе. Некоторые заявители могут уже доступ 8- и 12-кубитов версии машин Занаду через облачный сервис - и в скором времени также имеют доступ к 24-кубита машин.

«У нас есть цель продемонстрировать [полностью программируемое] квантовое превосходство, используя наш подход… где-то в следующем году», - говорит Видбрук.

По словам Мэтью Брума , квантового физика из Уорикского университета в Англии, на пути к коммерциализации крупномасштабных фотонных квантовых вычислений остаются инженерные препятствия , несмотря на очевидный успех китайского эксперимента. 

«Хотя эти эксперименты впечатляют - и, без сомнения, являются одними из самых сложных оптических систем, когда-либо созданных, - если мы хотим вывести фотонные квантовые компьютеры на новый уровень, нам необходимо решить проблему потерь и обнаружения для интегральных схем», - говорит он. . «Требуемая инженерия здесь, вероятно, ближе к материаловедению, чем к квантовой науке».

Тем не менее, демонстрация китайской группы вселила в исследователей осторожный, но обновленный оптимизм в отношении фотонных технологий как жизнеспособного пути для развития практических квантовых вычислений - особенно после того, как многие полагали, что такие крупномасштабные демонстрации фотоники будут с трудом стать реальностью.

«Фотоника всегда была в гонке, но я думаю, что пресса [освещение] и доминирование ионных ловушек и сверхпроводящих квантовых компьютеров были очень сильными», - говорит Вальтер. «Итак, теперь фотоны вернулись».