Max Home IndustryНесмотря на всю эту шумиху, мы до сих пор не знаем, сможем ли мы построить квантовый компьютер, который чего-нибудь стоит. Теперь у нас есть кое-что, что может сократить путь к тестированию полной машины — отбор проб бозонов.
Мы добились большого прогресса в области квантовых вычислений, но в глубине души каждого исследователя до сих пор существует мучительное сомнение в том, что может действовать принцип запрета. Проблема с построением квантового компьютера заключается в том, чтобы квантовые эффекты работали должным образом по мере роста устройства. Грубо говоря, вы можете построить квантовый компьютер, который работает с несколькими битами, но расширить его до достаточного количества бит, чтобы делать что-то, выходящее за рамки того, что может быть достигнуто с помощью классического компьютера, — сложная практическая задача.
Это нормально, пока это сложная практическая задача и нет базового теоретического результата, ограничивающего возможности квантового компьютера. Если это просто практично, то нам нужно развивать и совершенствовать нашу технологию, пока мы не достигнем точки, в которой квантовый компьютер может превзойти классический компьютер. Если есть теорема о запрете, то мы можем сдаться.
Чтобы прояснить это — на сегодняшний день ни один квантовый компьютер не вычислил ничего, что выходит за рамки возможностей классического компьютера.
В современных квантовых компьютерах есть такие вещи, как факторизация двузначных чисел за время, которое может легко превзойти классический компьютер.
Если вы можете увеличить количество битов, с которыми работает квантовый компьютер, они могли бы за то же время учесть числа, которые классическому компьютеру потребовались бы для учета остальной части жизни Вселенной.
Вы можете видеть, что было бы разумно использовать глубокий принцип, который гласит что-то вроде: «Ни один квантовый компьютер никогда не может вычислить что-то, что находится за пределами досягаемости классического компьютера».
На данный момент никто не знает, существует ли такая теорема, хотя Скотт Арронсон, известный ученый-компьютерщик Массачусетского технологического института, предложил приз в размере 100 000 долларов за любое доказательство невозможности квантовых компьютеров. Он также отвечает за продумывание теста, который может быть достаточно простым для выполнения, который, по крайней мере, докажет, что такой теоремы о запрете не существует.
Изображение любезно предоставлено Алишой Тофт
Его эксперимент довольно прост. Вы устанавливаете квантовое состояние с n бозонами (частицы с целым спином, такие как фотон света) в определенных конфигурациях. Затем вы позволяете системе развиваться и взаимодействовать с гаджетами, такими как светоделители и фазовращатели, и наблюдать за конечным состоянием. В экспериментальной установке это соответствует тому, что n источников света взаимодействуют со стандартными оптическими устройствами, а затем смотрят, где фотоны выходят из машины. Это довольно легко настроить, и существует множество лабораторий квантовой оптики, которые делают подобные вещи каждый день.
Вся суть установки выборки бозонов состоит в том, что как только у вас будет больше, чем несколько стартовых фотонов, количество взаимодействий растет так быстро, что вы не можете рассчитать суммы классическим способом. На самом деле проблема в классе сложности #P, и он является #P-полным. Машина для отбора проб бозонов может превзойти классический компьютер, когда она достигнет, скажем, 20 фотонов. К сожалению, на данный момент количество фотонов, фактически используемых в машинах, составляет около трех или четырех. В настоящее время исследователи изучают, как все это работает и что может пойти не так.
По крайней мере четыре группы опубликовали статьи, показывающие, что эта идея работает — для небольшого числа бозонов. Все они считают, что отбор проб бозонов — это легко, и они не видят проблем в расширении масштабов своей работы. Единственный реальный вопрос — если это действительно просто, почему всего четыре фотона? Возможно, наступающий год покажет, есть или нет теорема о запрете, но стоит отметить, что есть несколько возможных путей, по которым что-то может пойти не так.
Во-первых, отбор проб бозонов не является универсальной вычислительной машиной — возможно, специализированной машине позволено быть быстрее, чем классический компьютер. Теорема о запрете может иметь форму, согласно которой никакая квантовая машина Тьюринга не может давать результаты, превосходящие классическую машину Тьюринга. Существует также небольшая проблема доказательства того, что классическая машина не может производить вычисления выборки бозонов так же быстро, как «настоящая вещь».