Jiuzhang 4.0 и новая гонка за фотонным квантовым превосходством

Квантовые вычисления часто проверяются через демонстрацию квантового преимущества — ситуации, когда квантовая машина выполняет задачу, практически недоступную для классических компьютеров. Один из самых масштабных экспериментов такого рода — Jiuzhang 4.0, фотонный квантовый процессор, разработанный в Китае.

В эксперименте система выполнила Gaussian boson sampling с участием до 3 050 фотонов, что стало новым уровнем для оптических квантовых вычислений и заметным шагом вперед по сравнению с предыдущими фотонными прототипами.

Что такое Jiuzhang 4.0

Jiuzhang 4.0 — это программируемый фотонный квантовый процессор, созданный исследователями из Университета науки и технологий Китая (USTC). Вместо сверхпроводящих кубитов, которые используются во многих квантовых компьютерах, система работает с фотонами — частицами света, проходящими через сложную оптическую сеть.

Её основная задача — выполнение Gaussian boson sampling (GBS). Это специальная вероятностная задача, в которой множество фотонов проходит через интерферометр и создаёт сложное распределение выходных сигналов. С увеличением числа фотонов вычислить такое распределение на классических компьютерах становится чрезвычайно трудно.

В эксперименте Jiuzhang 4.0 исследователи:

• ввели в систему 1 024 высокоэффективных источника сжатых состояний света
• использовали программируемую фотонную схему с 8 176 оптическими модами
• зарегистрировали события с до 3 050 фотонами

Такая архитектура создаёт крайне сложные интерференционные картины света, которые кодируют решение задачи выборки.

Новый рекорд в оптических квантовых экспериментах

По данным исследовательской команды, Jiuzhang 4.0 установил мировой рекорд в области оптической квантовой информации, значительно увеличив масштаб экспериментов Gaussian boson sampling.

Сообщается, что при определённых моделях сравнения система выполняет задачу более чем в 10^54 раз быстрее, чем самые мощные классические суперкомпьютеры.

Такие оценки зависят от используемых алгоритмов симуляции, однако эксперимент рассматривается как демонстрация устойчивого квантового вычислительного преимущества — ситуации, когда квантовая система выполняет задачу, которую классические алгоритмы не могут эффективно воспроизвести даже по мере их улучшения.

Чем Jiuzhang 4.0 отличается от Jiuzhang 3.0

Jiuzhang 4.0 — это следующий этап в серии фотонных квантовых прототипов той же исследовательской группы.

Предыдущая версия, Jiuzhang 3.0, продемонстрировала 255 зарегистрированных фотонов в эксперименте boson sampling.

Новая система значительно расширяет несколько ключевых параметров.

Масштаб фотонов

• Jiuzhang 3.0: 255 фотонов
• Jiuzhang 4.0: до 3 050 фотонов, более чем в десять раз больше

Архитектура системы

• Jiuzhang 4.0 использует 1 024 источника сжатого света и программируемую оптическую сеть из 8 176 мод, что резко увеличивает сложность фотонной схемы.

Программируемость

• новая система построена как программируемая фотонная платформа, позволяющая изменять конфигурации оптических преобразований, а не выполнять только один фиксированный эксперимент.

В результате устройство может генерировать значительно более крупные квантовые состояния и более сложные распределения выборки, чем предыдущие фотонные машины.

Почему важен Gaussian boson sampling

Задача Gaussian boson sampling не предназначена для повседневных вычислений. Её основная роль — тест для проверки квантового преимущества.

Сложность задачи связана с математикой вероятностей обнаружения фотонов. Для больших систем вычисления требуют операций вроде loop hafnian, сложность которых растёт экспоненциально с увеличением числа фотонов.

Поэтому увеличение числа фотонов и оптических мод быстро делает классическую симуляцию практически невозможной. Эксперименты вроде Jiuzhang 4.0 показывают, что квантовые устройства могут достигать режимов, где классические вычисления становятся крайне затруднительными.

Что означает этот результат для будущего квантовых вычислений

Jiuzhang 4.0 демонстрирует, что фотонные квантовые системы могут масштабироваться до тысяч фотонов, сохраняя достаточную точность для демонстрации квантового преимущества в задачах выборки.

Это важно по нескольким причинам:

• усиливается экспериментальное подтверждение квантового преимущества
• развивается фотонная архитектура квантовых компьютеров
• создаётся технологическая база для более крупных квантовых машин

Фотонные системы особенно интересны тем, что они могут работать при комнатной температуре и легко интегрируются в оптические сети.

Однако Jiuzhang 4.0 пока не является универсальным квантовым компьютером. Он выполняет специализированную задачу выборки и не предназначен для произвольных алгоритмов.

Более широкий контекст

Серия Jiuzhang иллюстрирует одну из ключевых особенностей современной квантовой индустрии: несколько аппаратных подходов одновременно соревнуются за масштабируемое квантовое преимущество.

Среди основных направлений сегодня:

• сверхпроводящие кубиты
• ионные ловушки
• нейтральные атомы
• фотонные квантовые системы

Эксперимент Jiuzhang 4.0 с 3 050 фотонами стал одним из крупнейших достижений фотонных квантовых вычислений на сегодняшний день. Остаётся открытым вопрос, смогут ли такие системы в будущем эволюционировать в отказоустойчивые универсальные квантовые компьютеры, однако текущий результат показывает, что фотонная платформа быстро развивается и продолжает расширять границы возможного.