Calculatorul cuantic fotonic al lui Xanadu a atins supremația cuantică

Este unul dintre zumzetul momentului, start-up-ul canadian Xanadufondată în 2016 la Toronto, a anunțat că a atins supremația cuantică — sau ceea ce se poate spune că este foarte asemănător — cu computerul său cuantic programabil de la fotonii.

Amintiți-vă că avem tendința de a defini supremația cuantică ca fiind capabil să efectueze un algoritm pe o mașină folosind legile lui Mecanica cuanticăîn esenţă cele ale suprapunerii statelor şi celeincurcareapentru a efectua un calcul foarte rapid, să zicem în secunde, în timp ce cel mai bun algoritm care ar putea face același calcul pe un supercomputer convențional ar dura atât de mult încât o viață umană ar putea să nu fie suficientă pentru a aștepta rezultatul.

Nu există încă o formulare precisă și unanimă asupra a ceea ce ar trebui înțeles prin supremația cuanticăsau avantajul cuantic care înseamnă aproape același lucru, dacă nu o idee generală apropiată de explicația care tocmai a fost dată.

Concret, în cazul lui Xanadu, și după cum explică membrii săi într-un articol cu ​​acces deschis publicat în jurnal Naturăal lor mașină cuantică botezat Borealis a efectuat în aproximativ 36 de microsecunde un calcul care i-ar lua unui supercomputer convențional aproximativ 9.000 de ani, un factor de viteză amețitor.

O prezentare a lui Borealis din Xanadu. Pentru a obține o traducere franceză destul de precisă, faceți clic pe dreptunghiul alb din dreapta jos. Ar trebui să apară apoi subtitrarea în engleză. Apoi faceți clic pe piulița din dreapta dreptunghiului, apoi pe „Subtitrări” și în final pe „Traduceți automat”. Alegeți „franceză”. © Xanadu

De la Planck la Feynman cu mecanica cuantică

Cu toate acestea, se obișnuiește să se ia pensete cu acest tip de rezultat pentru că uneori s-a întâmplat ca descoperirea unui nou algoritm clasic să facă posibilă obținerea aceluiași rezultat, sau chiar mai rapid. Nici un calculator sau un computer cuantic programabil universal nu realizează în mod sistematic supremația cuantică.

În sfârșit, să reamintim că calculele cuantice sunt afectate fizic asupra sistemelor fizice de perturbații foarte semnificative care, cel puțin, produc multe erori sau fac imposibilă finalizarea execuției unui algoritm cu atât mai rapid cu cât necesită un număr mare de qubițiechivalentele cuantice fragmente clasice de informație. Este faimosul problema decoerentei ceea ce i-a facut, de fapt, pe multi specialisti sa fie sceptici cu privire la performantele reale pe care le-ar putea avea calculatoare cuantice universal programabil. Deși în ultimii ani mulți au devenit mai optimiști în ceea ce privește performanța mașinilor care pot fi numite computere, sau simulatoare cuantice — pentru că sunt specializate în execuția anumitor algoritmi –, s-ar putea să fim încă în pragul unei revoluții cuantice.

Cel puțin asta s-ar dovedi corect încă o dată geniul vizionar al Richard Feynmanun pionier în teoria calculatoarelor cuantice, care a propus să folosească legile fizice și sistemele mecanicii cuantice pentru a simula rapid comportamentul altor sisteme cuantice care erau insolubile cu computerele clasice sau cel puțin foarte dificile, cum ar fi proprietățile moleculelor în chimia cuantică sau comportamentul lui quarcuri și gluoni în hadronii.

Descoperă în animație-video istoria fizicii cuantice: de la catastrofa ultravioletă la promisiunile computerului cuantic, trecând prin prima și a doua revoluție cuantică cu ideile lui Feynman și Peter Shor. O animație video coprodusă cu Spiritul vrăjitorului. © CEA Research

Qubiți cu stări fotonice comprimate

Dar să revenim la Xanadu și Borealis. Aparatul funcționează cu fotoni și nu trebuie să fie răcit aproape până la zero absolut spre deosebire de multe alte circuite cuantice care se protejează de zgomotul termic care degradează rapid calculele cuantice.

Calculele cuantice cu fotoni se fac adesea cu două stări de polarizare a fotonului, permițând să existe un qubit cuantic cu o suprapunere a acestor două stări echivalentă cu o suprapunere cuantică de 1 și 0. Dar în cazul Borealis, acestea sunt stări cuantice ale câmp electromagnetic al ușoară diferite care sunt folosite, exemple de ceea ce se numesc stări comprimate sau stări stoarse în limba engleză.

Tehnic, un exemplu al acestor stări este realizat în mecanica cuantică cu un oscilator armonic, adică în esență echivalentul unei greutăți oscilante la capătul unui arc. Putem considera un câmp electromagnetic ca un set de astfel de arcuri, deoarece particulele încărcate dintr-un câmp oscilant s-ar comporta ca acești oscilatori armonici. O stare comprimată ar fi aceea că, sau în conformitate cu relațiile lui Heisenberg, produsul „incertitudinilor” cu privire la poziție și cantitatea de mișcare a particulei de la capătul unui arc oscilant ar avea valoarea minimă posibilă și, prin urmare, ar caracteriza într-un fel starea cel mai puțin neclară și cuantică zgomotoasă pentru un oscilator – este puțin diferit în cazul stărilor comprimate cu fotoni, dar scopul si ideile sunt foarte asemanatoare.

Prin urmare, Borealis exploatează o suprapunere cuantică a stărilor comprimate ale fotonilor și în acest caz 216 qubiți cu aceste stări.

O descriere a mașinii poate fi găsită pe site-ul Xanadu și în videoclipurile însoțitoare.

Practic, poate fi gândit ca o cutie neagră cu fotoni care intră prin mai multe canale și ies prin altele cu detectoare pentru a număra numărul celor care ies prin fiecare canal în fiecare experiment efectuat.

În interiorul cutiei se află un set de dispozitive (lame care separă razele luminoase și interferometrele în special) care afectează fasciculele de lumină care intră, mai întâi prin producerea stărilor comprimate din impulsuri laser, apoi prin separarea în alte fascicule, schimbând ceea ce se numește faza lor și producând încurcături între fotonii prezenți precum și interferențele

Toate aceste dispozitive se comportă ca ușile logici elementare ale calculatoarelor clasice care pot fi combinate pentru a forma multe operații și, prin urmare, realizează un număr mare de algoritmi diferiți pe care s-ar putea dori să-i programăm. Dar acestea sunt porți logice cuantice precum cele discutate în videoclipul de mai jos.

O prezentare suplimentară a conceptului de computer și algoritm cuantic. © CEA Research

Teoria grafurilor calcule cuantice

Din punct de vedere tehnic, Borealis se comportă matematic ca o matrice, o matrice de numere, permițând să producă dintr-o coloană de numere în intrare, o coloană de numere în ieșire (canalele de fotoni cu un număr al celor care ajung pentru fiecare canal). Această matrice codifică un algoritm programabil, cât mai multe matrice, cât mai mulți algoritmi.

În cele din urmă, Borealis realizează ceea ce se numește și eșantionare bosonică Gaussiană (fotonii sunt bozoni) tot sunat Eșantionarea bosonilor gaussiani (GBS) în engleză. În fiecare experiment, fotonii care intră prin canale urmează căi diferite în mașină și ies în funcție de o distribuție diferită în canalele finale.

Dar distribuția medie a fotonilor pentru fiecare detector la ieșirea canalului trebuie să se comporte în conformitate cu o distribuție de probabilitate care este proporțională cu o cantitate care este calculată cu matricea algoritmului implementat în Borealis, mărime pe care matematicienii o numesc Hafnianul unei matrice. (a nu se confunda cu ceea ce se numeste determinant). Hafnianul devine din ce în ce mai dificil de calculat clasic cu numărul de intrări și de ieșiri — care sunt egale, matricea fiind pătrată așa cum spunem.

Dar, așa cum am spus, Borealis a efectuat un calcul hafnian în 36 de microsecunde în loc de 9.000 de ani, ceea ce ar fi necesar pe Fugaku 415-PFLOPS (un supercomputer japonez dezvoltat de Fujitsu în numele institutului științific japonez RIKEN și prezentat în 2020 drept cel mai puternic supercomputer). în lume) și asta, de 50 de milioane de ori mai rapid decât cu computerele cuantice anterioare cu fotoni. Cireașă pe deasupra, Xanadu a oferit acces gratuit online în cloud mașinii sale, astfel încât, în principiu, oricine poate încerca să programeze un algoritm pe Borealis.

Xanadu a încărcat tutoriale a programa in piton cu cineva ” software-uri ” la fel de PennyLane și câmpuri de căpșuni.

O prezentare a cipul fotonic Xanadu. Pentru a obține o traducere franceză destul de precisă, faceți clic pe dreptunghiul alb din dreapta jos. Ar trebui să apară apoi subtitrarea în engleză. Apoi faceți clic pe piulița din dreapta dreptunghiului, apoi pe „Subtitrări” și în final pe „Traduceți automat”. Alegeți „franceză”. © Xanadu

Printre perspectivele deschise de Xanadu se numără cea învățare automată cuantică și faptul că tehnologia din spatele Borealis face posibilă teoretic creșterea cu ușurință a dimensiunii computerului cuantic fotonic. Membrii lui Xanadu chiar cred că pot ajunge la milionul de qubiți!

Atingerea supremației sau a ceea ce se numește avantajul cuantic este un lucru, dar accelerarea prodigioasă a execuției unui algoritm are impact doar dacă algoritmul în cauză are potențialul de a rezolva în mod concret probleme practice importante. . Deci ce rost are pentru a putea calcula rapid Hafnianul matricelor mari?

Se pare că Hafnianul, pentru determinările GBS, este implicat în calculele de teoria grafurilor a face optimizare, învățare automată si in chimie cuantică când se încearcă determinarea spectre de molecule care vibrează. În acest din urmă caz, face posibilă prezicerea și studierea modului în care materialele absorb lumina la frecvențe diferite. The spectre de absorbție studiate pot fi utile pentru optimizarea randamentului celulelor solare sau în dezvoltarea de produse farmaceutice, așa cum este explicat pe una dintre paginile lui Xanadu ale cărei comentarii le includem în acest paragraf și în cele ce urmează.

În cele din urmă, să ne amintim că teoria grafurilor poate fi folosit pentru a modela piețele financiare, rețelele biologice și retele sociale. Graficele sunt compuse dintr-un set de noduri interconectate și una dintre problemele pe care încercăm adesea să le rezolvăm cu ele este găsirea de clustere, adică regiuni cu un nivel ridicat de conectivitate. Acestea pot corespunde comunităților din rețelele sociale, activelor corelate într-o piață sau proteină se influențează reciproc într-o rețea biologică.

Un computer cuantic cu un cip fotonic precum Borealis ar trebui să poată funcționa cu 1 milion de Qubiți. Pentru a obține o traducere franceză destul de precisă, faceți clic pe dreptunghiul alb din dreapta jos. Ar trebui să apară apoi subtitrarea în engleză. Apoi faceți clic pe piulița din dreapta dreptunghiului, apoi pe „Subtitrări” și în final pe „Traduceți automat”. Alegeți „franceză”. © Xanadu

Te interesează ceea ce tocmai ai citit?

.

Add Comment