フォトニックプロセッサで最初に実証された量子優位性

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ビデオ: 不思議Q&A 量子コンピューターとは 量子ビット no28 2023, 2月
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Anonim
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中国の物理学者は、量子優位性を実証した光学スキームを組み立てました。彼らは、量子デバイスの速度を実証するタスクとして、100モード光干渉計でのボソンサンプリングを選択しました。著者の計算によると、彼らの量子コンピューターは、従来のスーパーコンピューターよりも100兆倍速くこのタスクに対処します。この作品はジャーナルScienceに掲載されました。

量子技術の開発が始まって以来、古典的なものに対する量子コンピューターの優位性の問題は未解決のままであるだけでなく、その定式化は絶えず変化しています。科学者たちは、量子コンピューターが古典的なコンピューターよりも効率的である特定の問題に注意を向けてきました。量子コンピューターとそれらが古典的なものより速く解決できる問題についての詳細は、私たちの資料「量子の優位性をどれくらい待つか」で読むことができます。

ほぼ1年前、Googleの量子AI部門は、超伝導53キュービットSycamoreプロセッサが、乱数文字列の生成において従来のスーパーコンピューターよりも優れていることを初めて発表しました。キュービットの確率的性質により、そのような文字列の可能なバリアントの数は非常に多いことが判明します-253したがって、古典的なコンピュータの場合、そのような問題の解決には数千年かかる可能性があります。この実験については、QuantumSuperiorityで書きました。

量子コンピューターの機能を実証できる多くのタスクに加えて、プロセッサー自体を作成するためのさまざまなプラットフォームがあります。それらはすべて並行して開発され、それぞれに独自の長所と短所があります。 Googleの専門家は、超電導回路を使用して実装しました。それらに加えて、物理学者は極低温原子、イオン、光子に基づく量子プロセッサの開発に従事しています。フォトニックプロセッサには通常、ボソンサンプリングの問題を実装するのに便利な干渉計が含まれています。標準的なケースでは、干渉計に当たる光子は互いに相互作用するため、一定の確率で異なる出力状態を取得することができます。これまたはその出力状態が取得される周波数は、干渉計自体、またはむしろ光子上の変換行列によって特徴付けられます。ボソンサンプリングを使用すると、行列のパーマネントを計算できます。これは、次元が大きくなる従来のコンピューターでは困難になります。

Jian-Wei Panが率いる中国科学技術大学の研究者は、100 x 100の行列のパーマネントを計算するための光学スキームを組み立てました。これは、古典的なコンピューターとしては圧倒的であることが判明しました。彼らは25個の非線形結晶を使用して絡み合った光子のペアを生成し、ボソンサンプリング干渉計を体積光学系を使用して組み立てました。

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(a)自発的パラメトリック散乱を使用して絡み合った光子のペアを生成するためのスキーム、(b)すべてのスクイーズド状態のスペクトル、(c)生成された光子のペアのスペクトル分布、(d)25のそれぞれの純度の値状態、(e)各入力状態の効率

フォトニックプロセッサは室温で動作するため優れていますが、キュービット生成の速度では他のプラットフォームに遅れをとっています。著者が単一光子の生成に使用した自発的パラメトリック散乱の場合、高い光子対の生成率を得るのはかなり困難です。物理学者は、25個の非線形結晶のパラメータを正確に選択し、温度制御と光学スキームの高品質な調整により、単一光子の生成の高効率を達成することに成功しました。さらに、パラメトリック散乱によって生成された光子のガウス特性は、入力状態のタイプに影響を与えました-科学者はスクイーズド状態を使用しました。 50個の光子のうち100個の次元を持つ入力状態を取得するために、各光子に2つの量(空間内の位置と偏光)がエンコードされました。

相互作用の程度が依存する光子の区別がつかないことを評価し、干渉計の動作をテストするために、物理学者は簡単な実験から始めました。スクイーズド状態のペアが干渉計の異なる入力に適用され、出力でのそれらの分布が記録されました。その後、干渉計は25の入力状態で動作モードで開始され、200秒で科学者は300万回以上さまざまな出力状態を記録することができました。

著者らは、開発された干渉計の出力状態の統計を、理論的な対数正規分布との高精度と一致させ、数値シーケンスのランダム生成の結果と比較しました。両方の統計が同一ではなく、ランダム生成を使用して実験データを再現することは機能しないことが判明しました。

仕事の重要で興味をそそる部分-古典的なコンピューターとフォトニック量子プロセッサーの性能の比較-は、2つの異なるスーパーコンピューター(太湖光と富岳)の科学者によって実行されました。どちらの場合も、量子コンピューターはそのタスクを1014倍速く処理しました。

25個の光子を備えた光子プロセッサを構築する前に、中国の科学者は、より少ないキュービットでのボソンサンプリングの可能性を探りました。彼らは、10光子のシュレディンガー猫を作成し、最初の古典的なコンピューターよりも優れたボソンサンプラーを組み立て、失われた光子。

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