50 идеальных фотонов для квантового превосходства

Пятьдесят — это критическое число для квантовых компьютеров, способных решать задачи, которые не могут решить классические суперкомпьютеры.

Для доказательства квантового превосходства требуется как минимум 50 кубитов. Для квантовых компьютеров, работающих со светом, необходимо иметь не менее 50 фотонов. И более того, эти фотоны должны быть идеальными, иначе они ухудшат свои собственные квантовые возможности.

Именно это совершенство затрудняет реализацию. Не исключено, однако, что ученые из Университета Твенте его продемонстрировали, предложив модификации кристаллической структуры внутри существующих источников света. Их результаты опубликованы в журнале Physical Review A.

Фотоны перспективны в мире квантовых вычислений, с его требованиями запутывания, суперпозиции и интерференции. Это тоже свойства кубитов. Они позволяют создать компьютер, который работает совершенно не так, как вычисления со стандартными битами, которые представляют собой единицы и нули.

В течение многих лет исследователи предсказывали, что квантовые компьютеры способны решать очень сложные задачи.

Первое доказательство квантового превосходства уже есть, выполненное с помощью сверхпроводящих кубитов и по очень сложным теоретическим задачам. Как минимум 50 квантовых строительных блоков необходимы в форме фотонов или кубитов.

Использование фотонов может иметь преимущества перед кубитами: они могут работать при комнатной температуре и они более стабильны. Есть одно важное условие: фотоны должны быть идеальными, чтобы достичь критического числа 50. В своей новой статье ученые UT продемонстрировали, что это возможно.

Но что такое «идеальный фотон»? Источник света фотона может быть не идеальным, и в этом случае ожидаемый фотон не появится. Но вы также можете потерять фотон — и, следовательно, результаты вычислений — двигаясь по светопроводящим каналам для квантовых вычислений.

Однако главная причина несовершенства заключается в том, что источник света генерирует фотоны, каждый из которых немного отличается от другого, в то время как они должны быть абсолютно одинаковыми.

Представьте себе фотонную пару, которая исходит из источника света, один из которых красный, а другой чуть более оранжевый. У них много общего, но есть небольшая разница. Использование фильтра, чтобы сделать их обоих красными, кажется очевидным.

Но тогда вы потеряете качество фотона, что сделает квантовые вычисления невозможными, поскольку недостатки остаются связанными: улучшение одного приводит к ухудшению другого Даже в системе, которая может справиться с некоторыми несовершенствами, критическое число 50 никогда не достигается, и квантовое превосходство уходит.

Исследователи вернулись к основам — к источнику света, чтобы определить, есть ли место для улучшения. Они хотели улучшить кристаллическую структуру источника света.

Взаимодействуя с предпочтительной ориентацией в кристаллах и разделяя их на домены, можно было получить свет с желаемыми свойствами.

Уже несколько лет исследователи работают над фиксированными доменами. Варьирование доменов, однако, требуется для лучшей адаптации световых свойств. Во многих лабораториях мира исследователи изучают этот метод манипулирования светом. Нынешняя работа ученых добавляет новый способ оптимизации кристалла, уверенно приближаясь к реализации совершенных фотонов.

R. van der Meer et al. Optimizing spontaneous parametric down-conversion sources for boson sampling, Physical Review A (2020). DOI: 10.1103/PhysRevA.101.063821