Optyczny komputer kwantowy Xanadu osiągnął supremację kwantową

To jedno z zamieszania chwili, kanadyjska firma Xanaduzałożona w 2016 roku w Toronto, ogłosiła, że ​​osiągnęła supremację kwantową – lub, co można powiedzieć, że jest bardzo podobna – za pomocą programowalnego komputera kwantowego w Fotony.

Pamiętaj, że zwykle definiujemy supremację kwantową jako zdolność do zaimplementowania algorytmu „kwantowego” na urządzeniu za pomocą praw Mechanika kwantowagłównie tych z superpozycji stanów isplotaby wykonać obliczenia bardzo szybko, powiedzmy w ciągu kilku sekund, podczas gdy najlepszy „klasyczny” algorytm, który może wykonać te same obliczenia na klasycznym superkomputerze, zajęłby tak długo, że całe życie człowieka może nie wystarczyć na oczekiwanie na wynik.

Nadal nie ma precyzyjnego i jednomyślnego sformułowania tego, co należy rozumieć Supremacja kwantowalub przewaga ilościowa, która oznacza mniej więcej to samo, jeśli nie ogólną ideę zbliżoną do podanego właśnie wyjaśnienia.

Konkretnie w przypadku Xanadu i jak wyjaśniają jego członkowie w ogólnodostępnym artykule opublikowanym w czasopiśmie charakter temperamentuone maszyna kwantowa ochrzczony Borealis Przeprowadzono go w około 36 mikrosekund, obliczenia, które w przypadku konwencjonalnego superkomputera trwają około 9000 lat, co jest zdumiewającym współczynnikiem szybkości.

Od Plancka do Feynmana w mechanice kwantowej

Jednak zwykle bierze się pęsety z tego typu wynikiem, ponieważ zdarzało się, że odkrycie nowego algorytmu wykorzystującego fizykę klasyczną pozwala uzyskać ten sam wynik, a nawet szybciej, niż algorytm wykorzystujący Fizyka kwantowa. Kalkulator lub globalnie programowalny komputer kwantowy nie tylko systematycznie osiąga kwantową przewagę nad wszystkimi możliwymi algorytmami.

Na koniec pamiętajmy, że na obliczenia kwantowe fizycznie wpływają bardzo duże perturbacje, które co najmniej prowadzą do wielu błędów lub uniemożliwiają szybsze zakończenie wykonania algorytmu, ponieważ wymaga on dużej liczby kubitrównania kwantowe Klasyczne fragmenty informacji. To sławny problem z oderwaniem się Co sprawiło, że wielu specjalistów zwątpiło w rzeczywiste wyniki, które mogą się wydarzyć Komputery kwantowe Uniwersalnie programowalne. W ostatnich latach wiele osób z większym optymizmem patrzyło na wydajność maszyn, które można nazwać komputerami lub symulatorami kwantowymi – ponieważ specjalizują się w wykonywaniu określonych algorytmów – więc mimo wszystko możemy znaleźć się na progu kwantowym. Rewolucja.

To by się przynajmniej okazało prawdą, po raz kolejny geniusz z wizją Richard Feynmanpionier teorii komputerów kwantowych, który zaproponował wykorzystanie praw fizycznych i systemów mechaniki kwantowej do symulacji zachowania innych systemów kwantowych, które były trudne do rozwiązania za pomocą klasycznych komputerów lub przynajmniej bardzo trudne, takie jak właściwości cząsteczek w chemii kwantowej lub zachowanie cząstki elementarne i gluony w hadrony.

Kubity w kompaktowych obudowach optycznych

Wróćmy jednak do Xanadu i Borealis. Maszyna pracuje z fotonami i nie wymaga chłodzenia prawie do temperatury zero absolutne W przeciwieństwie do wielu innych obwodów kwantowych, które chronią się przed szumem termicznym, który szybko degraduje obliczenia kwantowe.

Obliczenia kwantowe są często wykonywane przy użyciu fotonów o dwóch stanach polaryzacji fotonów, co pozwala na otrzymanie kubitu kwantowego z superpozycją tych dwóch stanów równoważną superpozycji kwantowej 1 i 0. Jednak w przypadku Borealis są to stany kwantowe pole elektromagnetyczne Z światło Różne stosowane, przykłady tzw. stanów skompresowanych lub kraje skompresowane po angielsku.

Technicznie przykład tych stanów w mechanice kwantowej jest realizowany za pomocą oscylatora harmonicznego, co w zasadzie oznacza odpowiednik oscylującego ciężarka na końcu sprężyny. Możemy traktować pole elektromagnetyczne jako zbiór tych sprężyn, ponieważ naładowane cząstki w polu oscylacyjnym będą zachowywać się jak te oscylatory harmoniczne. Stan skompresowany będzie tym, lub zgodnie z relacjami Heisenberga, produktem „niepewności” co do sytuacji i Ruch Od cząstki na końcu sprężyny oscylacyjnej będzie miała najniższą możliwą wartość i tym samym jakoś odróżni mniej rozmyty i kwantowy stan oscylatora – trochę inaczej jest w przypadku stanów skompresowanych fotonem, ale cel i idea są bardzo podobne.

Borealis wykorzystuje więc kwantową superpozycję skompresowanych stanów fotonów, w tym przypadku 216 kubitów, z tymi stanami.

Opis urządzenia można znaleźć na stronie Xanadu oraz w towarzyszących filmach.

Zasadniczo można ją traktować jako czarną skrzynkę, w której fotony wchodzą przez kilka kanałów i wychodzą przez inne z detektorami, aby policzyć liczbę tych, którzy wychodzą przez każdy kanał w każdym przeprowadzonym eksperymencie.

Wewnątrz pudełka znajduje się zestaw urządzeń (łopatki, które rozdzielają wiązki światła i zachodzić na siebie w szczególności), które wpływają na przychodzące wiązki światła, najpierw poprzez wytwarzanie skompresowanych stanów impulsów lasernastępnie dzieląc je na inne pakiety, zmieniając ich tzw. fazę i powodując splątanie pomiędzy istniejącymi fotonami oraz interferencje.

Wszystkie te urządzenia zachowują się jak Porty Podstawowa logika klasycznych komputerów, które można łączyć w wiele operacji, a tym samym implementować dużą liczbę różnych algorytmów, które można zaprogramować. Ale są to bramki logiki kwantowej, takie jak te omówione w poniższym filmie.

Obliczenia kwantowe w teorii grafów

Z technicznego punktu widzenia Borealis zachowuje się matematycznie jak macierz, tablica liczb, umożliwiając tworzenie z kolumny liczb na wejściach, kolumny liczb na wyjściach (kanały fotonowe z liczbą tych, które docierają na kanał). Ta tablica koduje programowalny algorytm, podobnie jak wiele tablic i wiele algorytmów.

Wreszcie Borealis wykonuje tak zwane próbkowanie bozonów Gaussa (fotony są bozony) nadal nazywane Próbkowanie bozonów Gaussa (GBS) w języku angielskim. W każdym eksperymencie fotony wchodzące przez kanały podążają różnymi ścieżkami w urządzeniu i wychodzą według innego rozkładu w końcowych kanałach.

Ale średni rozkład fotonów dla każdego detektora na wyjściu kanału musi zachowywać sięzgodnie z rozkładem prawdopodobieństwa proporcjonalnym do wielkości obliczonej przez macierz algorytmu zaimplementowanego w Borealis, wielkości którą havneańscy matematycy nazywają macierzą (nie mylić z tzw. wyznacznikiem). Arytmetyka Hafniego staje się klasycznie trudniejsza wraz z liczbą wejść i wyjść – równa, macierz jest jak mówimy kwadratowa.

Ale jak powiedzieliśmy, Borealis wykonał obliczenia Halfn w 36 mikrosekundach zamiast 9000 lat, które byłyby konieczne na Fugaku 415-PFLOPS (japońskim superkomputerze opracowanym przez Fujitsu na zlecenie japońskiego instytutu naukowego RIKEN i zaprezentowanym w 2020 roku jako najpotężniejszy superkomputer na świecie) i to 50 milionów razy szybciej niż poprzednie fotonowe komputery kwantowe. Seria Co więcej, Xanadu udostępnił swoim urządzeniom bezpłatny dostęp online do chmury, dzięki czemu w zasadzie każdy może wypróbować programowanie algorytmów w Borealis.

Przesłano Xanadu Poradniki do programowania w Wąż z ” Oprogramowanie ” takie jak benelański i inni pola truskawek.

Wśród widoków otwartych przez Xanadu są: nauczanie maszynowe Obliczenia kwantowe i fakt, że technologia stojąca za Borealis umożliwia łatwe teoretycznie skalowanie optycznego komputera kwantowego. Członkowie Xanadu uważają, że mają dostęp do 1 miliona kubitów!

Osiągnięcie dominacji lub tak zwanej przewagi kwantowej to jedno, ale zdumiewające przyspieszenie wykonania algorytmu ma wpływ tylko wtedy, gdy dany algorytm ma zdolność konkretnego rozwiązywania ważnych problemów praktycznych. Więc po co? Aby móc szybko obliczyć duże macierze hafńskie?

Okazuje się, że w obliczeniach bierze udział Hafnian w stosunku do szacunków GBS Teoria grafów zrobić poprawę, nauczanie maszynowe i w chemia kwantowa Próbując wybrać duchy Z Cząsteczki który wibruje. W tym drugim przypadku umożliwia przewidywanie i badanie, w jaki sposób materiały pochłaniają światło o różnych częstotliwościach. The absorpcja duchów Badanie może być przydatne do poprawy wydajności ogniw słonecznych lub do opracowywania produktów farmaceutycznych, jak pokazano na jednej ze stron Xanadu, której komentarze zamieszczamy w tym i następnym akapicie.

Na koniec pamiętajmy o tym Teoria grafów Może być używany do modelowania rynków finansowych, sieci biologicznych i portale społecznościowe. Wykresy składają się ze zbioru Węzeł Są one ze sobą połączone, a jednym z problemów, które często za ich pomocą próbujemy rozwiązać, jest znajdowanie klastrów, czyli obszarów o wysokim poziomie łączności. Może odpowiadać społecznościom w sieciach społecznościowych lub powiązanym zasobom na rynku lub białko Wzajemne oddziaływanie w sieci biologicznej.