Китай преобръща надпреварата за квантово надмощие

За 200 секунди и при стайна температура този фотонен компютър прави изчисления, които биха отнели 2,5 милиарда години на конвенционален суперкомпютър
(снимка: Hansen Zhong)

Екип от китайски учени твърди, че е направил първата категорична демонстрация на „квантово превъзходство” – използвайки квантовата механика, за да извърши изчисления, които биха били непосилни за класическите компютри. Физици от цял свят посочиха, че твърдението за постигнатото квантово предимство е „убедително”. Според тях, това е нов крайъгълен камък в разработката на квантови компютри.

Учените са използвали лъчи лазерна светлина за извършване на изчисление, за което е математически доказано, че е практически невъзможно за нормални компютри. Екипът е постигнал в рамките на няколко минути това, което на най-добрите съществуващи суперкомпютри в света би отнело толкова години, колкото е „половината възраст на Земята”.

За разлика от първата демонстрация на Google за „квантово превъзходство”, извършена миналата година, китайската версия е практически непостижима за нито един класически компютър, отбелязва Nature в обширна публикация по темата.

„Ние показахме, че можем да използваме фотоните, основната светлинна единица, за да демонстрираме квантова изчислителна мощ, която е далеч отвъд класическия аналог”, казва Джиан-Уей Пан от Университета за наука и технологии в Хъфей, Китай. Той добавя, че изчислението, което учените са извършили, не е просто удобно средство за демонстриране на „квантовото превъзходство”, но има и потенциални практически приложения в теорията на графиката, квантовата химия и машинното самообучение.

„Това със сигурност е ключов експеримент, много важен етап”, коментира физикът Иън Уолмсли от Империал Колидж в Лондон.

Надпреварата за квантовото превъзходство

Екипите от учени както в академичните среди, така и в корпоративните лаборатории се надпреварват да демонстрират „квантовото превъзходство” (наричано още квантово предимство или квантово надмощие). Миналата година изследователи от квантовата изчислителна лаборатория на Google в Санта Барбара, Калифорния, обявиха първата по рода си демонстрация на квантовото надмощие. Те използваха своето най-модерно устройство Sycamore, което има 53 квантови бита (кюбита), направени от свръхпроводящи вериги, които се поддържат при ултра студени температури.

Някои квантови изследователи оспориха победоносната теза с мотива, че може да съществува по-добър класически алгоритъм, който би надминал квантовия. Скоро след това изследователи от IBM заявиха, че класическите ѝ суперкомпютри по принцип вече могат да работят със съществуващите алгоритми, за да извършат същите изчисления за 2,5 дена.

Екипът от Хъфей, воден от Пан и Чао-Ян Лу, е избрал различен проблем за демонстрацията си, наречен „проба на бозоните”. Той е разработен през 2011 г. от двама компютърни учени на MIT – Скот Ааронсън и Алекс Архипов. Задачата включва изчисляване на вероятностното разпределение на много бозони, чиито квантови вълни интерферират помежду си по начин, който по същество рандомизира позицията на частиците. Вероятността за откриване на бозон в дадена позиция може да се изчисли с уравнение с много неизвестни.

200 секунди

Сложното изчисление е извършено от фотонен квантов компютър, работещ при стайна температура. Резултатът е постигнат за 200 секунди. Пан и колегите му твърдят, че същата задача би отнела 2,5 милиарда години, за да се пресметне върху китайския суперкомпютър TaihuLight.

„Това е първият път, когато квантовото надмощие бива демонстрирано с помощта на светлина или фотоника”, казва Кристиан Уидбрук, главен изпълнителен директор на стартъпа Xanadu в Торонто, Канада, който се стреми да изгради практически приложими квантови компютри, базирани на фотоника.

Уолмсли казва, че твърдението за квантово предимство е убедително. „Тъй като [експериментът] се доближава много до оригиналната схема на Ааронсън – Аркифов, е малко вероятно да се намери по-добър класически алгоритъм”, обяснява той.

Кристин Силберхорн, експерт по квантова оптика от университета Падерборн в Германия, нарече работата на китайския екип „експеримент, който е крайъгълен камък” в квантовите разработки.

„Изграждането на квантов компютър е надпревара между хората и природата, а не между държавите”, коментира Лу Чаоянг, професор, отговарящ за експеримента в USTC, който не пропусна да изрази възхищението си от работата на Google в областта на квантовите компютри. Самата Google до момента се въздържа от коментар относно новината.

Практически проблеми

Въпреки това, според Уидбрук, за разлика от Sycamore на Google, фотонната верига на китайския екип не е програмируема. Това значи, че в този момент „тя не може да се използва за решаване на практически проблеми”.

Ако екипът от Китай успее да създаде достатъчно ефективен програмируем чип, с новия суперкомпютър могат да бъдат решени няколко важни изчислителни проблема. Сред тях са прогнозирането на определени взаимодействия между протеините и вибрирането на молекулите.

Уийдбрук отбелязва, че фотонните квантови изчисления се появиха по-късно от останалите подходи в квантовите компютри, но сега те биха могли „да ги прескочат”. Във всеки случай, добавя изследователят, „въпрос на време е квантовите компютри да оставят класическите компютри да им дишат праха”.