что такое бозонный сэмплинг
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Бозонный сэмплинг на 100-модовом оптическом интерферометре позволил продемонстрировать квантовое превосходство
Han-Sen Zhong et al. /Science, 2020
Помимо множества задач, на которых можно демонстрировать возможности квантовых вычислителей, существуют разные платформы для создания самих процессоров. Все они развиваются параллельно и каждая имеет свои достоинства и недостатки. Специалисты Google использовали сверхпроводниковые цепи для реализации. Кроме них физики занимаются разработкой квантовых процессоров на ультрахолодных атомах, ионах и фотонах.
Фотонные процессоры обычно содержат в себе интерферометр, который удобен для реализации задачи бозонного сэмплинга. В стандартном случае фотоны, которые попадают в интерферометр, взаимодействуют друг с другом, что позволяет получать разные выходные состояния с определенной вероятностью. Частота, с которой получается то или иное выходное состояние характеризует сам интерферометр, а точнее матрицу преобразования над фотонами. Бозонный сэмплинг позволяет рассчитывать перманенты матриц, что становится сложным для классических компьютеров при увеличении размерности.
Исследователи из научно-технического университета Китая под руководством Цзянь-Вэй Пана (Jian-Wei Pan) собрали оптическую схему для расчета перманентов матрицы размером 100 на 100, что оказалось непосильно для классического компьютера. Они использовали 25 нелинейных кристаллов для генерации пар запутанных фотонов, а интерферометр для бозонного сэмплинга собирали с использованием объемной оптики.
(a) схема генерации пары запутанных фотонов с помощью спонтанного параметрического рассеяния, (b) спектры всех сжатых состояний, (c) спектральное распределение пары рожденных фотонов, (d) значения чистоты каждого из 25 состояний, (e) эффективности каждого входного состояния. Han-Sen Zhong et al. /Science, 2020
Для оценки неразличимости фотонов, от которой зависит степень их взаимодействия, и проверки работы интерферометра физики начинали с простых экспериментов. На разные входы интерферометра подавали пару сжатых состояний и фиксировали их распределение на выходе. После этого интерферометр запустили в рабочем режиме с 25 состояниями на входе и за 200 секунд ученым удалось зафиксировать разные выходные состояния больше трех миллионов раз.
Авторы сравнили статистику выходных состояний разработанного интерферометра, которая с большой точностью совпала с теоретическим логнормальным распределением, с результатами случайной генерации числовых последовательностей. Оказалось, что обе статистики не идентичны и воспроизвести данные эксперимента с помощью случайной генерации не получится.
Важную и интригующую часть работы — сравнение производительности классического компьютера и фотонного квантового процессора — ученые проводили на двух разных суперкомпьютерах (TaihuLight и Fugaku). В обоих случаях квантовый вычислитель справлялся со своей задачей быстрее в 10 14 раз.
Перед тем, как создать фотонный процессор с 25 фотонами, китайские ученые исследовали возможности бозонного сэмплинга на меньшем числе кубитов: они создали 10-фотонного кота Шредингера, собрали бозонный сэмплер, который превзошел первый классический компьютер, и ускорили вычисление бозонного сэмплера с помощью потерянных фотонов.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Временное кодирование увеличит размерность бозонного сэмплинга
Jun Gao et al. / arXiv.org, 2020
Бозонный сэмплинг — идеальный кандидат для демонстрации мощности квантовых вычислений, хотя реализовать его на классическом компьютере оказывается намного сложнее, чем, например, на фотонном вычислителе. Недавно ученые под руководством Цзянь-Вэй Пана (Jian-Wei Pan) смогли продемонстрировать это экспериментально: они собрали сложные оптические схемы 50-фотонного источника и интерферометра для получения вероятностного распределения, характерного для бозонного сэмплинга.
Главная сложность в создании фотонного процессора с большим числом кубитов — источники одиночных фотонов. Часто для генерации фотонов используют спонтанное параметрическое рассеяние в нелинейных кристаллах. От одного нелинейного кристалла рождается пара фотонов. При этом из-за того, что процесс рождения пар случайный, эффективность их генерации оказывается очень низкой. Это значит, что фотоны будут прилетать в схему и потом на детекторы очень редко и проводить эксперимент нужно будет очень долго. Способы увеличения эффективности сильно усложняют как саму схему, так и ее настройку, особенно на больших масштабах.
Команда физиков под руководством Сянь-Минь Цзиня (Xian-Min Jin) из Шанхайского университета транспорта решила пойти другим путем и для увеличения размерности бозонного сэмплинга предложила использовать временную информацию о фотонах и замкнутый во времени интерферометр.
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Предложена новая эффективная схема бозонного сэмплинга в фотонной оптической схеме
(a) Временные слои бозонсэмплинга с памятью и распределение фотонов по разным слоям и перемещение между ними, (b) разные виды соединения временных слоев, (b) графы соединения слоев при увеличении их числа – чем больше слоев, тем больше ребер у графа. Jun Gao et al. / arXiv.org, 2020
Главная сложность в создании фотонного процессора с большим числом кубитов — источники одиночных фотонов. Часто для генерации фотонов используют спонтанное параметрическое рассеяние в нелинейных кристаллах. От одного нелинейного кристалла рождается пара фотонов. При этом из-за того, что процесс рождения пар случайный, эффективность их генерации оказывается очень низкой. Это значит, что фотоны будут прилетать в схему и потом на детекторы очень редко и проводить эксперимент нужно будет очень долго. Способы увеличения эффективности сильно усложняют как саму схему, так и ее настройку, особенно на больших масштабах.
Команда физиков под руководством Сянь-Минь Цзиня (Xian-Min Jin) из Шанхайского университета транспорта решила пойти другим путем и для увеличения размерности бозонного сэмплинга предложила использовать временную информацию о фотонах и замкнутый во времени интерферометр.
В стандартных схемах бозонного сэмплинга для каждой выходной комбинации вероятность ее обнаружения определяют статистически, то есть много раз подают на вход интерферометра одно и то же состояние и смотрят, сколько раз на выходе получилась определенная комбинация. Это похоже на доску Гальтона, когда шарики проходят через вбитые в шахматном порядке гвоздики, скатываются вниз и образуют столбики разной высоты, похожие на нормальное распределение.
Понятно, что из одного, двух или десяти шариков сложно получить видимое распределение — так и для бозонного сэмплинга требуется много раз повторять эксперимент, чтобы получить измеримое распределение вероятностей. Авторы работы предлагают извлекать вероятность из информации о времени прихода определенной комбинации. Чем меньше это время, тем больше вероятность. А если не нужно собирать статистику, то число измерений можно значительно сократить.
(a) Схема установки состоит из источника одиночных фотонов на основе СПР (спонтанного параметрического рассеяния), и чипа, у которого один из выходов через задержку соединен со входом, на схеме показано, что фотон как будто перемещается из одного временного слоя в другой, (b) матрица, характеризующая вероятности обнаружения фотонов для схемы с 4 слоями – даже после прохождении через чип 4 раза сигнал не затухает. Jun Gao et al. / arXiv.org, 2020
Помимо новой кодировки вероятностей, исследователи предлагают использовать один и тот же чип-интерферометр несколько раз в течение одного эксперимента. Выходной фотон после задержки снова подают на вход интерферометра, получая таким образом следующий «временной слой». В зависимости от задержки можно перемещаться между соседними или любыми другими слоями. Количество таких слоев, от которых зависит размерность задачи, можно увеличивать до бесконечности.
Авторы проверили свои идеи на схеме с двумя слоями из 30-портовых интерферометров. Распределение вероятностей в эксперименте подтвердило теорию и прошло статистические тесты, которые показывают, что такое распределение получено в результате бозонного сэмплинга. Как выяснилось благодаря моделированию, использование 112 фотонов и 50 тысяч слоев заменяет 200 тысяч фотонов в вычислителе Zhiyuan. Это делает предложенный метод многообещающим в качестве основы для создания мощного фотонного процессора. Квантовое превосходство уже удалось продемонстрировать не только на фотонной схеме — впервые о нем заговорил Google.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Потерянные фотоны ускорили вычисления бозонного сэмплера
Hui Wang et al. / Phys. Rev. Lett.
Китайские физики увеличили скорость работы бозонного сэмплера — квантового вычислителя, способного находить распределение вероятностей для бозонов в заданной системе, — учитывая процессы с потерями фотонов, которые обычно исключаются из рассмотрения. На несложной установке с семью фотонами ученым удалось добиться почти тридцатикратного увеличения частоты. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Настоящий квантовый компьютер должен быть универсальным, то есть на нем должны работать произвольные алгоритмы — например, алгоритм Шора для разложения чисел на простые множители или алгоритм Гровера для решения задачи перебора. В настоящее время такие компьютеры уже существуют, однако число кубитов, которыми они оперируют, сравнительно мало, и проводимые ими вычисления в принципе можно повторить на классическом суперкомпьютере. Чтобы достичь квантового превосходства — то есть построить квантовый вычислитель, который нельзя смоделировать классическими средствами, — нужно увеличить число одновременно работающих кубитов, научиться отслеживать и оперативно исправлять возникающие в ходе вычислений ошибки, а также корректно считывать их состояния. В настоящее время физики постепенно приближаются к этой границе; подробнее прочитать об их достижениях можно в нашем материале «Сколько ждать квантового превосходства?»
С другой стороны, квантового превосходства можно достичь с помощью специальных вычислителей, направленных на решение определенного класса задач и не претендующих на реализацию произвольных алгоритмов. Например, по такому пути пошла канадская компания D-wave, выпускающая компьютеры, которые моделируют квантовый отжиг, то есть быстро решают различные задачи оптимизации — например, ищут среди экспериментальных данных распады, указывающие на бозон Хиггса. В некоторых специальных случаях компьютеры компании превосходят классические в сотни миллионов раз.
Другой пример специальных вычислителей — это бозонные сэмплеры (boson sampling), с помощью которых можно быстро строить распределения вероятностей для системы бозонов. В таких устройствах запутанные фотоны направляются в специальную оптическую сеть, интерферируют в ней и образуют на выходе некоторое распределение (сколько фотонов попало в каждый из каналов), которое определяется устройством сети. Собственно, основная задача сэмплера — определить вид этого распределения; подбирая параметры установки и настраивая сеть, можно моделировать конкретные системы, например, вычислять колебательные спектры молекул. Теоретические расчеты показывают, что бозонные сэмплеры, оперирующие достаточно большим числом фотонов (порядка ста), нельзя смоделировать на классическом компьютере.
К сожалению, из-за несовершенства экспериментальных установок в бозонных сэмплерах постоянно происходят утечки фотонов, которые снижают скорость их работы и мешают достичь квантового превосходства. Как правило, экспериментаторы просто выбрасывают из рассмотрения такие процессы. Тем не менее, в 2016 году физики-теоретики Скотт Ааронсон (Scott Aaronson) и Даниэль Брод (Daniel Brod) показали, что вычисления с фиксированным числом потерянных фотонов так же сложно смоделировать на классическом компьютере, как и процессы без потерь. При этом на одних и тех же сетях процессы генерируют одинаковое распределение. Это значит, что скорость работы бозонных сэмплеров можно повысить, если разделить процессы с фиксированным числом потерянных фотонов и рассмотреть их вклады по отдельности.
Группа ученых под руководством Цзянь Вэй Паня (Jian-Wei Pan) реализовала такую схему на практике и показала, что с ее помощью действительно можно увеличить скорость вычислений. Построенная физиками установка позволяла получать до семи запутанных фотонов, которые генерировались с помощью полупроводниковой квантовой точки, возбуждаемой лазером. После получения фотоны направлялись в оптическую сеть 16×16 (16 входов, 16 выходов), эквивалентную системе из 113 разделителей и 14 зеркал, а затем считывались с помощью 16 однофотонных детекторов. Хотя потерями в сети можно было пренебречь (они составляли менее 1,5 процентов), примерно каждый четвертый фотон терялся при генерации (эффективность около 82 процентов) и каждый второй — при детектировании (эффективность около 53 процентов). Это позволяло ученым регулировать число фотонов, которые «впрыскивались» в сеть и терялись при детектировании.
Изображение экспериментальной установки (a), схема оптической сети (b) и ее положение в установке (c)
Квантовое превосходство впервые продемонстрировали на фотонном процессоре
Han-Sen Zhong et al. /Science, 2020
Китайские физики собрали оптическую схему, с помощью которой продемонстрировали квантовое превосходство. В качестве задачи для демонстрации скорости работы квантового устройства они выбрали бозонный сэмплинг на 100-модовом оптическом интерферометре. По расчетам авторов, их квантовый вычислитель справляется с этой задачей в 100 триллионов раз быстрее, чем обычный суперкомпьютер. Работа опубликована в журнале Science.
С начала развития квантовых технологий вопрос превосходства квантового компьютера над классическим не только остается открытым, но и постоянно меняется его формулировка. Ученые сосредоточили свое внимание на определенных задачах, в которых квантовые вычислители оказываются эффективнее классических. Подробнее о квантовых компьютерах и задачах, которые они способны решать быстрее классических можно прочесть в нашем материале «Сколько ждать квантового превосходства?».
Помимо множества задач, на которых можно демонстрировать возможности квантовых вычислителей, существуют разные платформы для создания самих процессоров. Все они развиваются параллельно и каждая имеет свои достоинства и недостатки. Специалисты Google использовали сверхпроводниковые цепи для реализации. Кроме них физики занимаются разработкой квантовых процессоров на ультрахолодных атомах, ионах и фотонах. Фотонные процессоры обычно содержат в себе интерферометр, который удобен для реализации задачи бозонного сэмплинга. В стандартном случае фотоны, которые попадают в интерферометр, взаимодействуют друг с другом, что позволяет получать разные выходные состояния с определенной вероятностью. Частота, с которой получается то или иное выходное состояние характеризует сам интерферометр, а точнее матрицу преобразования над фотонами. Бозонный сэмплинг позволяет рассчитывать перманенты матриц, что становится сложным для классических компьютеров при увеличении размерности.
Исследователи из научно-технического университета Китая под руководством Цзянь-Вэй Пана (Jian-Wei Pan) собрали оптическую схему для расчета перманентов матрицы размером 100 на 100, что оказалось непосильно для классического компьютера. Они использовали 25 нелинейных кристаллов для генерации пар запутанных фотонов, а интерферометр для бозонного сэмплинга собирали с использованием объемной оптики.
(a) схема генерации пары запутанных фотонов с помощью спонтанного параметрического рассеяния, (b) спектры всех сжатых состояний, (c) спектральное распределение пары рожденных фотонов, (d) значения чистоты каждого из 25 состояний, (e) эффективности каждого входного состояния