Chinesische Physiker haben ein optisches Schema zusammengestellt, mit dem sie die Quantenüberlegenheit bewiesen haben. Sie wählten Boson-Sampling auf einem optischen 100-Moden-Interferometer als Aufgabe, um die Geschwindigkeit eines Quantengeräts zu demonstrieren. Nach Berechnungen der Autoren bewältigt ihr Quantencomputer diese Aufgabe 100 Billionen Mal schneller als ein herkömmlicher Supercomputer. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Seit Beginn der Entwicklung der Quantentechnologien bleibt die Frage nach der Überlegenheit eines Quantencomputers gegenüber einem klassischen nicht nur offen, sondern verändert sich ständig in seiner Formulierung. Wissenschaftler haben ihre Aufmerksamkeit auf bestimmte Probleme gerichtet, bei denen Quantencomputer effizienter sind als klassische. Mehr über Quantencomputer und die Probleme, die sie schneller als klassische lösen können, lesen Sie in unserem Material "Wie lange auf Quantenüberlegenheit warten?"
Vor fast einem Jahr gab die Quanten-KI-Abteilung von Google erstmals bekannt, dass ihr supraleitender 53-Qubit-Sycamore-Prozessor den klassischen Supercomputer bei der Generierung von Zufallszahlenketten übertreffen kann. Aufgrund der Wahrscheinlichkeitsnatur von Qubits ist die Anzahl der möglichen Varianten solcher Strings sehr groß - 253, daher kann die Lösung eines solchen Problems für einen klassischen Computer Tausende von Jahren dauern. Wir haben über dieses Experiment in Quantum Superiority geschrieben.
Neben den vielen Aufgaben, an denen man die Fähigkeiten von Quantencomputern demonstrieren kann, gibt es verschiedene Plattformen, um die Prozessoren selbst zu bauen. Sie entwickeln sich alle parallel und haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile. Google-Experten verwendeten supraleitende Schaltungen zur Implementierung. Darüber hinaus beschäftigen sich Physiker mit der Entwicklung von Quantenprozessoren auf Basis von ultrakalten Atomen, Ionen und Photonen. Photonische Prozessoren enthalten normalerweise ein Interferometer, das für die Umsetzung des Problems der Boson-Probenahme geeignet ist. Im Standardfall interagieren die auf das Interferometer treffenden Photonen miteinander, wodurch es möglich ist, mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit unterschiedliche Ausgangszustände zu erhalten. Die Frequenz, mit der dieser oder jener Ausgangszustand erreicht wird, wird durch das Interferometer selbst bzw. die Transformationsmatrix über die Photonen charakterisiert. Boson-Sampling ermöglicht die Berechnung der bleibenden Matrizen, was für klassische Computer mit zunehmenden Dimensionen schwierig wird.
Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie in China unter der Leitung von Jian-Wei Pan stellten ein optisches Schema zur Berechnung der bleibenden Zahlen einer 100 x 100-Matrix zusammen, das sich für einen klassischen Computer als überwältigend herausstellte. Sie verwendeten 25 nichtlineare Kristalle, um Paare verschränkter Photonen zu erzeugen, und ein Boson-Sampling-Interferometer wurde mit volumetrischer Optik zusammengebaut.
(a) Schema zur Erzeugung eines Paares verschränkter Photonen unter Verwendung spontaner parametrischer Streuung, (b) Spektren aller gequetschten Zustände, (c) Spektralverteilung eines Paares erzeugter Photonen, (d) Werte der Reinheit von jedem von 25 Zustände, (e) Effizienz jedes Eingangszustands
Photonische Prozessoren sind gut, weil sie bei Raumtemperaturen arbeiten, aber sie hinken anderen Plattformen in der Rate der Qubit-Erzeugung hinterher. Bei der spontanen parametrischen Streuung, die von den Autoren zur Erzeugung einzelner Photonen verwendet wurde, ist es eher schwierig, eine hohe Erzeugungsrate von Photonenpaaren zu erreichen. Physikern ist es gelungen, eine hohe Effizienz der Produktion einzelner Photonen durch die genaue Auswahl der Parameter von 25 nichtlinearen Kristallen sowie durch ihre Temperaturkontrolle und eine hochwertige Abstimmung des optischen Schemas zu erreichen. Darüber hinaus beeinflusste die Gaußsche Natur der durch parametrische Streuung erzeugten Photonen die Art der Eingangszustände – die Wissenschaftler verwendeten gequetschte Zustände. Um einen Eingangszustand mit einer Dimension von 100 von 50 Photonen zu erhalten, wurden in jedem Photon zwei Größen kodiert – seine Position im Raum und seine Polarisation.
Um die Ununterscheidbarkeit von Photonen, von der der Grad ihrer Wechselwirkung abhängt, zu beurteilen und die Funktion des Interferometers zu testen, begannen Physiker mit einfachen Experimenten. Ein Paar gequetschter Zustände wurde an verschiedene Eingänge des Interferometers angelegt und ihre Verteilung am Ausgang wurde aufgezeichnet. Danach wurde das Interferometer im Betriebsmodus mit 25 Eingangszuständen gestartet und in 200 Sekunden gelang es den Wissenschaftlern, verschiedene Ausgangszustände mehr als drei Millionen Mal aufzuzeichnen.
Die Autoren verglichen die Statistik der Ausgangszustände des entwickelten Interferometers, die mit hoher Genauigkeit mit der theoretischen Lognormalverteilung übereinstimmten, mit den Ergebnissen einer zufälligen Generierung von Zahlenfolgen. Es stellte sich heraus, dass beide Statistiken nicht identisch sind und es nicht funktioniert, die experimentellen Daten mit zufälliger Generierung zu reproduzieren.
Ein wichtiger und faszinierender Teil der Arbeit – ein Vergleich der Leistung eines klassischen Computers und eines photonischen Quantenprozessors – wurde von Wissenschaftlern auf zwei verschiedenen Supercomputern (TaihuLight und Fugaku) durchgeführt. In beiden Fällen bewältigte der Quantencomputer seine Aufgabe 1014 Mal schneller.
Bevor sie einen Photonenprozessor mit 25 Photonen bauten, erforschten chinesische Wissenschaftler die Möglichkeiten der Boson-Sampling an weniger Qubits: Sie schufen eine 10-Photonen-Schrödinger-Katze, bauten einen Boson-Sampler zusammen, der den ersten klassischen Computer übertraf, und beschleunigten die Berechnung eines Boson-Samplers mit verlorene Photonen.
