Оптические квантовые вычисления: объяснение из первых уст

Мы попросили российских разработчиков в серии авторских колонок рассказать о том, чем квантовые компьютеры, или квантовые вычислители, как их называют сами ученые, отличаются от классических и какие особенности и ограничения есть у каждой из платформ и подходов. Об оптических квантовых вычислителях, или квантовых компьютерах на фотонах, в своей колонке рассказывает Дмитрий Чермошенцев, старший научный сотрудник группы «Квантовая оптика» Российского квантового центра и руководитель группы в «Росатом — Квантовые технологии».

Фотонные кубиты

Квантовые вычисления — это активно развивающаяся область науки, основанная на использовании принципов квантовой механики для решения задач, которые оказываются слишком сложными для классических компьютеров.

Одним из ключевых направлений этой области являются оптические квантовые вычисления. Этот подход использует электромагнитное поле в качестве носителя квантовой информации. Оптические квантовые вычисления обещают существенный прорыв в скорости и эффективности обработки данных благодаря уникальным свойствам света и использования квантовых эффектов.

В оптических квантовых системах информация закодирована в состояниях фотонов, или оптических модах. В случае фотонов этими параметрами, например, могут являться поляризация или путь, по которому движется фотон.

Фотон как квантовый объект может находиться в состоянии квантовой суперпозиции, то есть находиться в нескольких квантовых состояниях одновременно, что является основой для построения квантовых вычислителей. Если классический бит может принимать либо значение 0, либо значение 1, то квантовый бит, или кубит, может принимать значения и 0, и 1 одновременно.

Другим важным свойством квантовых объектов, необходимым для построения вычислителей является квантовая запутанность. Запутанность — это квантовое явление, при котором два или более фотона находятся в состоянии, где изменение состояния одного немедленно влияет на состояние другого, независимо от того, какое расстояние их при этом разделяет. Это свойство позволяет фотонам взаимодействовать друг с другом, обеспечивая основу для квантовых операций.

Важную роль в фотонном квантовом компьютере играют интерферометры — специальные системы, которые используются учеными для управления взаимодействием фотонов и создания квантовых вентилей. Последние нужны для выполнения логических операций с кубитами.

Непрерывные переменные

Другим возможным подходом в реализации оптических квантовых вычислений является использование непрерывных переменных (continuous variables, CV), что представляет собой альтернативу более распространенным дискретным фотонным кубитам. В системах на основе непрерывных переменных квантовая информация кодируется не в дискретных состояниях (таких как поляризация или направление движения фотона), а в таких параметрах световых волн, как амплитуда и фаза электромагнитного поля.

В системах оптических квантовых вычислений на непрерывных переменных используются квазиклассические состояния света, такие как сжатые световые поля. В этом подходе информация кодируется в параметрах, которые могут изменяться по непрерывной шкале. Это делает системы CV-вычислений более гибкими и открывает новые возможности для обработки квантовой информации. Ключевыми компонентами таких систем являются гауссовые состояния — классы квантовых состояний, описываемых гауссовыми распределениями. Используя такие состояния, можно выполнять квантовые операции над световыми полями с высокой точностью и достоверностью.

На текущий момент фотонная платформа квантовых вычислений является одной из двух, на которых был реализован эксперимент по демонстрации квантового превосходства.

Квантовое превосходство — это достижение, при котором квантовый компьютер решает задачу, которую классический компьютер не способен решить за разумное время. 

Мировые достижения

Термин «квантовое превосходство» был предложен Джоном Прескиллом из Калифорнийского технологического института в 2012 году, и с тех пор ведутся активные исследования, направленные на его достижение. В 2019 году Google объявила, что ей удалось достичь квантового превосходства с помощью 53-кубитного компьютера Sycamore, однако тогда квантовое превосходство было продемонстрировано с использованием сверхпроводниковых кубитов.

В случае же оптических вычислений 2020 году китайская команда исследователей из Научно-технического университета Китая объявила о достижении квантового превосходства с использованием процедуры гауссового бозонного сэмплинга (gaussian boson sampling) в оптической системе. Их квантовый компьютер под названием Цзючжан (Jiuzhang) работал с 50 неразличимыми одномодовыми сжатыми состояниями, проходящими через 100-канальный интерферометр, кодирующим случайную матрицу взаимодействия, а также со 100 однофотонными сверхпроводящими детекторами.

Гауссов бозонный сэмплинг

Бозонный сэмплинг является одним из ключевых методов, который позволяет продемонстрировать квантовое превосходство. Этот подход, предложенный Скоттом Ааронсоном и Алексом Архиповым из MIT в 2011 году, представляет собой модель вычислений, основанную на симуляции поведения фотонов в оптической системе.

В бозонном сэмплинге используется оптический многоканальный интерферометр для передачи фотонов через случайную сеть оптических элементов, таких как делители пучков и фазовые модуляторы. Задача заключается в вычислении вероятностей различных распределений фотонов на выходах системы. Эта задача становится экспоненциально сложной для классических компьютеров по мере увеличения числа фотонов и элементов схемы. Что делает ее идеальной для демонстрации квантового превосходства.

Согласно результатам, полученным китайской командой, их квантовый компьютер генерировал до 76 срабатываний однофотонных детекторов, что обеспечивало размерность выходного пространства состояний равным 10³⁰ и скорость сэмплирования, которая в 10¹⁴ раз превышала скорость моделирования аналогичного процесса на наиболее мощном суперкомпьютере. 

Таким образом, квантовый компьютер решил за 200 секунд задачу, на решение которой самому мощному классическому суперкомпьютеру потребовалось бы более чем полмиллиарда лет.

Хотя эксперимент Цзючжана подтвердил возможность достижения квантового превосходства в оптических системах, он также выявил несколько ограничений используемой архитектуры:

1. Специализированные задачи. Бозонное сэмплирование, как и многие другие задачи, используемые для демонстрации квантового превосходства, не имеет широкого практического применения, кроме демонстрации сложности вычислений. Это означает, что системы на базе бозонной выборки не могут пока решать задачи общего назначения.
2. Детерминированность. Квантовые оптические системы, в том числе использованные для бозонного сэмплирования, имеют сложности с детерминированным управлением фотонами и большими логическими схемами. Современные системы все еще зависят от случайного характера излучения фотонов и могут выполнять лишь ограниченный набор операций.

Несмотря на существующие ограничения, достижения в оптических квантовых вычислениях, особенно в контексте квантового превосходства, открывают новые перспективы. Исследования направлены на улучшение управления фотонами, увеличение числа кубитов в фотонном квантовом вычислителе и создание более универсальных квантовых процессоров на основе фотонов.

Будущее: фотонные интегральные микросхемы

Одним из важнейших направлений будущих исследований является разработка фотонных интегральных схем. Фотонная интегральная схема представляет собой микрочип, на котором реализуются различные оптические элементы, в частности может быть реализована схема для квантовых вычислений.

Переход от оптических установок, собранных на оптическом столе, к фотонным чипам может улучшить масштабируемость квантовых систем и позволит реализовать более сложные вычисления. В будущем интеграция источников одиночных фотонов или сжатых состояний света на чип, а также детекторов позволит существенно увеличить эффективность работы оптических квантовых вычислителей.

Будущее: детекторы одиночных фотонов

Другим важным направлением для улучшения работы оптического квантового компьютера является разработка более эффективных детекторов фотонов. Продвижение в области создания более точных и быстрых детекторов одиночных фотонов позволит увеличить эффективность квантовых вычислений. 

Детектор одиночных фотонов — это устройство, предназначенное для регистрации единичных фотонов и позволяющее считывать информацию, закодированную в квантовых состояниях фотонов.

Разработка же детекторов с высокой квантовой эффективностью, работающих при комнатной температуре, позволит приблизить оптические квантовые вычисления к масштабированному производству и использованию, поскольку избавит от необходимости использования криогенных систем для их работы.

Будущее: универсальная архитектура фотонных вычислителей

Третьим важным направлением исследований будет являться разработка более универсальных архитектур фотонных вычислителей, способных выполнять более общие задачи, например квантовые симуляции или решать сложные математические задачи.

Стоит отметить, что оптические сигналы уже сейчас активно используются в нашей жизни для обработки и передачи информации. Таким образом, оптические квантовые вычисления выглядят перспективной платформой не только для реализации лабораторных квантовых компьютеров, но и для создания индустриальных квантовых вычислителей.

Трудности оптических квантовых вычислений

Несмотря на значительный прогресс в разработке оптических вычислителей, существует ряд трудностей при разработке таких систем.

Первой проблемой является сложность манипулирования отдельными фотонами. Несмотря на достижения в этой области, создание стабильных и контролируемых оптических систем все еще представляет собой серьезную технологическую проблему.

Второй проблемой является детектирование одиночных фотонов. Для измерения квантовых состояний фотонов требуются высокочувствительные детекторы одиночных фотонов. Современные детекторы имеют ограниченные характеристики, такие как скорость и точность, что ограничивает эффективность систем.

Третьей проблемой является создание запутанных состояний большого числа фотонов. Для полноценного использования квантовых вычислений на фотонной основе необходимо разработать методы для надежного создания и управления запутанными состояниями.

В России оптические квантовые вычислители разрабатываются в рамках реализации дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». В 2023 году в рамках выполнения работ был продемонстрирован первый российский 10-кубитный фотонный квантовый компьютер.

Оптические квантовые вычисления представляют собой многообещающую область, которая может изменить подход к решению сложных задач, недоступных для классических вычислительных систем. Использование фотонов как кубитов представляет уникальные преимущества в скорости, надежности и возможностях масштабирования. Тем не менее, перед разработчиками таких систем пока еще стоит множество вызовов, преодоление которых позволит в полной мере раскрыть потенциал оптических квантовых вычислений.

^{Обложка: сгенерирована Kandinsky, правообладатель ПАО СберБанк©, 2024 год, все права защищены}