Существует ли квантовый скачок?

В основе науки о квантовых вычислениях лежит концепция «квантового преимущества» (Quantum Leap буквальный перевод – «квантовый скачок»), то есть, более быстрого вычисления на квантовом компьютере чего-то такого, что невозможно или нецелесообразно на классическом компьютере.

Однако учёные, которые занимаются обычными, не квантовыми вычислениями, иногда разрабатывают более эффективные классические алгоритмы. Например, Джейкоб Балмер (Jacob Bulmer) из Бристольского университета, Великобритания и Брин Белл (Bryn Bell) из Имперского колледжа Лондона и их коллеги опровергли постулат о квантовом преимуществе, используя метод, выборки гауссовых бозонов (Gaussian boson sampling). Приверженцы квантового преимущества утверждали, что классическое вычисление по методу выборки гауссовых бозонов займет 600 миллионов лет на самом быстром в мире суперкомпьютере. Но Балмер, Белл и их коллеги предложили другой алгоритм вычислений на классическом компьютере, который может сделать это всего за 73 дня. Этот результат, наряду с другими недавними улучшениями классических алгоритмов, показывает, что хайп о «квантовом преимуществе» пока слишком преувеличен.

Выборка гауссовских бозонов является усовершенствованием идеи, высказанной в 2011 году Скоттом Ааронсоном (Scott Aaronson) из Техасского университета в г. Остин и Алекса Архипова (Alex Arkhipov), который в то время работал в Массачусетском технологическом институте. Идея, известная как «выборка бозонов», заключалась в том, чтобы послать пучок одиночных фотонов через сеть светоделителей, чтобы создать сложную сеть корреляций между путями фотонов.

Чтобы представить получившуюся паутину фотонных путей, Ааронсон и Архипов сравнили свою систему с квантовой версией т.н. «доски Гальтона», которая представляет собой вертикальную доску со штифтами на её поверхности, расположенным в строгом шахматном порядке.

Если бросить мячик с верхней части доски, то он, отскакивая от штифтов, описывая случайный путь, пока не упадет на нижнюю плоскость, на которой установлены вертикальные «шахты». При падении большого количество шаров, их распределение в «шахтах» образует форму, напоминающую функцию распределения Гаусса. Если то же проделать не с шарами, а с фотонами, то такое распределение должно быть намного сложнее из-за способности фотонов взаимно «запутываться» (то есть пары фотонов иогут быть связаны друг с другом, и траектории их «движения» зависят один от другого. Ааронсон и Архипов утверждали, что это распределение не может быть эффективно рассчитано с помощью классического компьютера. Простота задачи сделала ее хорошим кандидатом для краткосрочной демонстрации квантового преимущества.

Исследователи во главе с из Университета науки и технологий Китая (USTC) В 2020 году провели эксперимент с выборкой гауссовых бозонов, в котором был использован пробоотборник бозонов (boson sampler) для выполнения квантовых вычислений с использованием т.н. «сжатых состояний света» (squeezed states of light). Фотодетекторы, размещенные в конечных точках всех возможных путей, подсчитывали количество фотонов, прошедших по каждому пути. Команда использовала пробоотборник для расчета распределения фотонов через сеть светоделителей за 200 секунд со 100 возможными путями. Расчёт для такого распределения на самом быстром в мире суперкомпьютере Fugaku занял бы 600 миллионов лет.

Однако, Балмер, Белл и их коллеги решили проверить, смогут ли они сократить такое время расчета.  Одним из основных узких мест в классическом расчете было определение «петлевой Гафниановскй функции» (loop Hafnian), матричной функции, лежащей в основе моделирования экспериментов по выборке гауссовых бозонов. При помощи этой функции можно определить вероятность определенного распределения фотонов в конце эксперимента. Функцию по своей природе трудно вычислить классическим способом. Балмер с коллегами обнаружили, что они могут сократить время вычислений, используя шаблоны в структуре матрицы, которые математически описывают, как фотоны проходят через лабиринт светоделителей. Это усовершенствование, наряду с некоторыми другими улучшениями и упрощениями, позволило сократить предполагаемое время моделирования эксперимента на классическом компьютере всего до 73 дня, вместо шестисот миллионов лет.

Это позволяет говорить, что т.н. квантовое преимущество (Quantum Leap) пока не является достоверно установленным фактом, и здесь пока много неясностей. Возможно, нужно просто лучше использовать классический математический аппарат, а не слепо полагаться на «квантовую магию».

То есть, концепция Квантового преимущества нуждается в дополнительных исследованиях и уточнениях, а пока что она больше похожа на «квантовый маркетинг».

Механик автосервиса: — Извините, мистер, но я не квантовый механик.

Об авторе Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
Запись опубликована в рубрике Квантовые вычисления с метками , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

1 отзыв на “Существует ли квантовый скачок?

  1. Борис:

    Ну, не знаю как там насчет маркетинга, но 200 секунд вместо 73 дней это тоже превосходно.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.