Forskare på Xanadu, ett kanadensiskt företag som specialiserat sig på fotonisk kvantberäkning, hävdar att de har uppnått kvantberäkningsfördelar med ett experiment kört på deras molntillgängliga Borealis-maskin. Termen "kvantfördelar" (ibland kallad kvantöverhöghet) hänvisar till en situation där en kvantmaskin utför specifika beräkningsuppgifter som skulle vara svårhanterliga för en klassisk dator. Det senaste experimentet, som går ut på att ta mätningar som motsvarar att ta ett prov från en distribution, tar Xanadus Borealis 36 mikrosekunder per prov, medan teamet uppskattar att det skulle ta 9000 år för världens snabbaste superdator att modellera samma experiment med de mest kända algoritmerna .

Uppgiften i detta experiment är ett exempel på Gaussisk bosonsampling (GBS) – ett förenklat ramverk för optiska kvantdatorer där kvanttillstånd av ljus skickas genom en interferometer (ett optiskt nätverk med avstämbara parametrar som dikterar hur fotonerna interfererar) innan de mäts vid utgångarna. Denna design är enklare än en universell kvantdator, och som Jonathan Lavoie, ledare för systemintegration på Xanadu, förklarar att det har begränsade applikationer. "Det är viktigt att betona att kvantfördelarmaskiner är byggda med syftet att bevisa något grundläggande om kraften i kvantberäkningar, inte nödvändigtvis för att lösa ett omedelbart "användbart" problem, säger Lavoie. "Det senare kommer sannolikt att kräva feltolerans och felkorrigering."

Bygger på tidigare resultat av kvantfördelar

Tidigare påståenden om kvantberäkningsfördelar har mött en del kontroverser. I 2019, ett team på Google meddelade kvantfördelar använder supraledande (istället för fotonisk) teknik, även om detta har varit diskuteras inom samhället. Mer nyligen gjorde experimentörer från University of Science and Technology i Kina liknande påståenden för två experiment (som också utför GBS) känd som jiuzhang och Jiuzhang 2.0. Även om en betydande teknisk framgång, ytterligare papper ställa frågor om deras resultat. Nicolás Quesada, som ledde projektet tillsammans med Lavoie och nu är biträdande professor vid Polytechnique Montréal, konstaterar att "mer teori- och verifieringsverktyg behövs." Quesadas arbete fortsätter att titta på dessa verifieringsuppgifter.

Borealis skiljer sig från Jiuzhang på flera sätt, inklusive storlek: med 216 distinkta lägen (olika tillgängliga kvanttillstånd) representerar Xanadus maskin en betydande ökning från det tidigare rekordet på 144. Xanadu använder också en ny design för GBS som fördröjer fotoner i optiska slingor fiber innan de stör efterföljande pulser, vilket hjälper till att undertrycka fel och förbättra skalbarheten. En speciell prestation av detta senaste arbete är tekniker implementerade för att stabilisera dessa fibrer till längder långt under storleksordningen för ljusets våglängd, som diskuteras i en blogginlägg publicerad av teamet på Xanadu.

Den nya inställningen innebär att inte alla möjliga konfigurationer av GBS kan utföras. "För fotonik, när man vill koda intressanta problem som återspeglar verkliga tillämpningsinstanser, behöver man tillgång till en universell programmerbar interferometer, vilket vanligtvis kommer att innebära betydande förluster," säger Quesada. "Så det här är definitivt en svår utmaning."

Borealis tillåter dock full programmerbarhet inom gränserna för den föreslagna strukturen, medan tidigare GBS-experiment i denna skala hade fasta interaktioner mellan lägen. Den extra flexibiliteten tillåts av framsteg när det gäller att generera kvanttillstånd av ljus, detekteringshastigheten och snabb elektrooptisk omkoppling, vilket ändrar inställningarna för komponenter vid vilka pulser interfererar med en tillräckligt hög hastighet för att implementera alla möjliga operationer.

Borealis är unik bland demonstrationer av kvantfördelar genom att allmänheten nu kan komma åt denna maskin och skicka in jobb på distans via Xanadus molntjänst. Huruvida GBS producerar några användbara beräkningar utöver en demonstration av kvantfördelar är dock fortfarande osäkert. Dessutom, som Quesada förklarar, när det gäller tillämpningar av GBS, behövs ytterligare forskning för att förstå "om det finns klassiska algoritmer som kan göra jobbet tillräckligt bra och därmed omintetgöra behovet av kvantmaskiner". Icke desto mindre hjälper denna prestation "verkligen till att bygga upp förtroendet för att vår hårdvaruutveckling och mjukvarukontrollsystem är på rätt väg för att bygga en feltolerant fotonisk kvantdator på Xanadu", säger Lavoie Fysikvärlden.