В Японии создали первый многофункциональный оптический квантовый компьютер, обладающий вычислительной мощностью, эквивалентной 1000 кубитов

Исследователи из Японии недавно разработали оптический квантовый компьютер, который можно использовать для различных целей. По их словам, эта особенность делает его первым в мире оптическим квантовым компьютером общего назначения. Хотя специально разработанные оптические квантовые машины существуют уже много лет, создание универсального квантового компьютера общего назначения долгое время было целью отрасли.

«Предыдущие оптические квантовые компьютеры — это специализированные устройства, такие как машина для выборки бозонов и маломасштабные квантовые компьютеры с примерно 10 кубитами, — говорит Хидэхиро Ёнэдзава, руководитель группы по исследованию оптического квантового управления в Центре квантовых вычислений Riken . — Наш компьютер — это гибко программируемый квантовый компьютер с сотней аналоговых квантовых входов».

В этой машине вместо сверхпроводящих электронных схем используются фотоны. Такой подход предпочитают, в частности, Google и IBM. Поскольку в ней не используются сверхпроводники, компьютер работает при температуре, близкой к комнатной, не нуждается в системе охлаждения и может быть легко масштабирован.

Большинство квантовых компьютеров измеряются в кубитах, или квантовых битах. В то время как классические биты равны либо 0, либо 1, кубиты могут иметь значение либо одного из них, либо бит обоих одновременно. Подобно классическим компьютерным битам, фотоны могут иметь два состояния, горизонтальную и вертикальную поляризацию, но также могут существовать в суперпозиции этих состояний, где-то между горизонтальной и вертикальной.

Компьютер Riken использует диапазон значений, таких как изменяющаяся интенсивность и фаза света, которые представляют собой непрерывные величины, а не дискретные состояния. Это называется подходом с непрерывными переменными. Он не использует кубиты напрямую, но его вычислительную мощность всё равно можно измерить в эквивалентном количестве кубитов.

«Его вычислительная мощность эквивалентна 1000 кубитам», — заявил Акира Фурусава, руководитель исследовательской группы по оптическим квантовым вычислениям в Riken и профессор Токийского университета, представляя машину.

Машина Riken основана на методах, описанных в исследовании 2021 года, опубликованном в журнале Physical Review Applied, соавтором которого является Ёнедзава. Помимо описания подхода с непрерывными переменными, в статье обсуждаются кластерные состояния — квантовые комбинации огромного количества частиц.

Как и кубиты, фотоны могут быть запутанными — связанными уникальным квантовым способом, полезным для вычислений, — если пропускать их через такие устройства, как резонаторы и фазовращатели. Цель состоит в том, чтобы создать запутанное состояние, в котором многие кубиты или непрерывные переменные связаны, образуя так называемое кластерное состояние. Вычисления затем выполняются путём проведения измерений некоторых частиц в кластерном состоянии.

Подход с непрерывными переменными, используемый компьютером Riken, «уникален тем, что он масштабируется для множества режимов. Они могут создавать гигантские кластерные состояния, которые не может создать никто другой, и они могут делать это при комнатной температуре, что является огромным преимуществом для создания практичных и масштабируемых систем», — говорит Элизабет Гольдшмидт, специалист по экспериментальной квантовой оптике и квантовой информации из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. «Во всём мире есть лишь несколько человек, которые придерживаются такого подхода. Он требует тесного сотрудничества между высокотехничными экспериментальными исследованиями и сложными теоретическими разработками». Одной из потенциальных проблем, связанных с машиной с непрерывным изменением параметров, является накопление шума, то есть помех, которые могут повлиять на хрупкие квантовые состояния. «Шум накапливается с каждым шагом вычислений. Хотя мы можем усреднить накопленный шум, для его устранения может потребоваться несколько попыток», — говорит Ёнедзава. Преимущество заключается в том, что повторение одних и тех же вычислений и усреднение результатов может сделать ненужной обычную квантовую коррекцию ошибок.

Компьютер Riken — это облачная система, к которой могут получить доступ удалённые пользователи. Планируется, что он станет доступен в этом году. «Сделав свою фотонную систему с непрерывными переменными доступной через облако, Riken совершил нечто поистине выдающееся», — говорит Иш Дханд, бывший руководитель архитектурной группы в Xanadu Quantum Technologies, канадской венчурной компании, исследователи которой в исследовании 2022 года описали, как они достигли квантового превосходства с помощью оптической квантовой машины. Команда, работающая над новой машиной, «превращает многолетний опыт, накопленный в лаборатории, в практическую платформу, к которой пользователи действительно могут получить доступ».