Noul computer cuantic bazat pe lumină Jiuzhang a atins supremația cuantică

Un nou tip de computer cuantic a dovedit că poate domni și el suprem.

Un computer cuantic fotonic, care exploatează particule de lumină sau fotoni, a efectuat un calcul care este imposibil pentru un computer convențional, informează cercetătorii din China pe 3 decembrie în Ştiinţă. Această piatră de hotar, cunoscută sub numele de supremație cuantică, a fost îndeplinită o singură dată înainte, în 2019, de computerul cuantic al Google (SN: 23/10/19). Totuși, computerul Google se bazează pe materiale supraconductoare, nu pe fotoni.

„Aceasta este prima confirmare independentă a afirmației Google că într-adevăr puteți obține supremația cuantică”, spune informaticianul teoretic Scott Aaronson de la Universitatea Texas din Austin. „Este incitant.”

Numit Jiuzhang după un text matematic antic chinezesc, noul computer cuantic poate efectua un calcul în 200 de secunde care ar dura mai mult de jumătate de miliard de ani pe cel mai rapid computer non-cuantic sau clasic din lume.

„Prima mea impresie a fost „wow”,” spune fizicianul cuantic Fabio Sciarrino de la Universitatea Sapienza din Roma.

Dispozitivul Google, numit Sycamore, se bazează pe biți cuantici minusculi din materiale supraconductoare, care conduc energia fără rezistență. În schimb, Jiuzhang constă dintr-o serie complexă de dispozitive optice care transportă fotonii în jur. Aceste dispozitive includ surse de lumină, sute de separatoare de fascicul, zeci de oglinzi și detectoare de 100 de fotoni.

computer cuantic Jiuzhang
Calculatorul cuantic Jiuzhang manipulează lumina printr-un aranjament complex de dispozitive optice (prezentat).Hansen Zhong

Folosind un proces numit eșantionarea bosonilor, Jiuzhang generează o distribuție a numerelor care este extrem de dificil de replicat pentru un computer clasic. Iată cum funcționează: Fotonii sunt mai întâi trimiși într-o rețea de canale. Acolo, fiecare foton întâlnește o serie de separatoare de fascicule, fiecare dintre acestea trimite fotonul pe două căi simultan, în ceea ce se numește o suprapunere cuantică. De asemenea, căile se îmbină împreună, iar divizarea și îmbinarea repetată face ca fotonii să interfereze unul cu celălalt conform regulilor cuantice.

În cele din urmă, numărul de fotoni din fiecare dintre canalele de ieșire ale rețelei este măsurat la sfârșit. Când este repetat de multe ori, acest proces produce o distribuție a numerelor bazată pe câți fotoni au fost găsiți în fiecare ieșire.

Dacă este operat cu un număr mare de fotoni și multe canale, computerul cuantic va produce o distribuție a numerelor prea complexă pentru a fi calculată de un computer clasic. În noul experiment, până la 76 de fotoni au traversat o rețea de 100 de canale. Pentru unul dintre cele mai puternice computere clasice din lume, supercomputerul chinez Sunway TaihuLight, prezicerea rezultatelor pe care computerul cuantic le-ar obține pentru orice peste aproximativ 40 de fotoni a fost insolubilă.

În timp ce Google a fost primul care a spart bariera supremației cuantice, piatra de hotar „nu este o realizare într-un singur punct”, spune coautorul studiului și fizicianul cuantic Chao-Yang Lu de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China din Hefei. „Este o competiție continuă între hardware-ul cuantic îmbunătățit constant și simularea clasică îmbunătățită constant.” După afirmația Google a supremației cuantice, de exemplu, IBM a propus un tip de calcul care ar putea permite unui supercomputer să realizeze sarcina pe care computerul Google a finalizat, cel puțin teoretic.

Iar atingerea supremației cuantice nu indică neapărat că computerele cuantice sunt încă foarte utile, deoarece calculele sunt ezoterice concepute pentru a fi dificile pentru computerele clasice.

Rezultatul îmbunătățește profilul calculatoarelor cuantice fotonice, care nu au primit întotdeauna la fel de multă atenție ca și alte tehnologii, spune fizicianul cuantic Christian Weedbrook, CEO al Xanadu, o companie din Toronto axată pe construirea de computere cuantice fotonice. „Din punct de vedere istoric, fotonica a fost calul întunecat.”

O limitare a Jiuzhang, notează Weedbrook, este că poate îndeplini doar un singur tip de sarcină, și anume eșantionarea bosonilor. În schimb, computerul cuantic al Google ar putea fi programat să execute o varietate de algoritmi. Dar alte tipuri de calculatoare cuantice fotonice, inclusiv ale lui Xanadu, sunt programabile.

Demonstrarea supremației cuantice cu un alt tip de dispozitiv dezvăluie cât de rapid progresează calculul cuantic, spune Sciarrino. „Faptul că acum cele două platforme diferite sunt capabile să realizeze acest regim… arată că întregul domeniu avansează într-un mod foarte matur.”