Forskere udpeger singulariteten for kvantecomputere

Forskere fra University of Bristol har opdaget, at superkraftige kvantecomputere, som forskere og ingeniører over hele verden kæmper om at bygge, skal være endnu mere kraftfuld end tidligere antaget, før de kan slå nutidens almindelige pc'er.

Kvantecomputere er en ny type maskine, der fungerer på kvantemekanisk hardware og forudsiges at give enorme hastighedsfordele ved løsning af visse problemer.

Forskningsgrupper på førende universiteter og virksomheder, herunder Google, Microsoft og IBM, er en del af et verdensomspændende kapløb om at realisere den første kvantecomputer, der krydser ind i 'kvanteberegningssingulariteten'.

Dette repræsenterer et problem så komplekst, at nutidens top -supercomputer ville tage århundreder at finde en løsning, mens en kvantecomputer kunne knække det på få minutter.

Nu har et team af forskere fra Bristol opdaget, at grænsen til denne singularitet er længere væk end tidligere antaget.

Undersøgelsen er rapporteret i denne uge i Naturfysik .

Resultaterne gælder for en meget indflydelsesrig kvantealgoritme kendt som 'boson sampling', som blev udtænkt som en meget direkte rute til at demonstrere quantum computings overlegenhed over klassiske maskiner.

Bosonprøvetagningsproblemet er designet til at blive løst af fotoner (lyspartikler), der styres i optiske chips - teknologi, der er banebrydende for Bristols Quantum Engineering and Technology Labs (QETLabs).

At forudsige mønsteret for mange fotoner, der kommer fra en stor optisk chip, er relateret til en ekstremt hård tilfældig matrixberegning.

Med de hurtige fremskridt inden for kvanteteknologier, det virkede som om et bosonprøveeksperiment, der gik ind i kvanteberegningssingulariteten, var inden for rækkevidde. Imidlertid, Bristol -teamet var i stand til at redesigne en gammel klassisk algoritme for at simulere bosonprøveudtagning, med dramatiske konsekvenser.

Dr. Anthony Laing, der leder en gruppe i QETLabs og ledede denne forskning, sagde:"Det er som at indstille et gammelt propelfly til at køre hurtigere end et tidligt jetfly.

"Vi befinder os i et øjeblik i historien, hvor det stadig er muligt for klassiske algoritmer at overgå de kvantealgoritmer, som vi forventer i sidste ende at være supersoniske.

"Men at demonstrere sådan en bedrift betød at samle et crack -team af forskere, matematikere, og programmører. "

Klassisk algoritmeekspert Dr. Raphaël Clifford, fra Bristols afdeling for datalogi, redesignet flere klassiske algoritmer til at angribe boson -prøveudtagningsproblemet, med 1950'ernes Metropolised Independence Sampling -algoritme, der giver den bedste ydeevne.

Simuleringskoden blev optimeret af QETLabs -forsker 'EJ', en tidligere LucasArts -programmør. Ekspertise om beregningsmæssig kompleksitet kom fra Dr. Ashley Montanaro, fra Bristol's School of Mathematics, mens QETLabs -eleverne Chris Sparrow og Patrick Birchall udarbejdede den forventede ydelse af den konkurrerende kvantefotonik teknologi.

I hjertet af projektet og at bringe alle disse tråde sammen var QETLabs ph.d. -studerende og første forfatter på papiret, Alex Neville, hvem testede, implementeret, sammenlignet, og analyseret, alle algoritmerne.

Han sagde:"Det største bosonprøveeksperimentforsøg, der er rapporteret hidtil, er for fem fotoner.

"Man troede, at 30 eller endda 20 fotoner ville være nok til at demonstrere kvanteberegningens overlegenhed."

Alligevel var han i stand til at simulere bosonprøvetagning for 20 fotoner på sin egen bærbare computer, og øgede simuleringsstørrelsen til 30 fotoner ved hjælp af afdelingsservere.

Alex tilføjede:"Med adgang til nutidens mest kraftfulde supercomputer, vi kunne simulere bosonsampling med 50 fotoner."

Forskningen bygger på Bristols ry som et center for aktivitet for kvantevidenskab og udvikling af kvanteteknologier.

Gennem QETLabs, universitetet har indledt et ambitiøst program for at bringe kvanteteknologier ud af laboratoriet og konstruere dem til nyttige enheder, der har virkelige applikationer til at tackle nogle af samfundets hårdeste problemer.

Udover samarbejde med tech -virksomheder som Microsoft, Google, og Nokia, opstart og nye forretningsaktiviteter med fokus på kvanteteknologier er dukket op i Bristol.

Et vigtigt tema på tværs af den samlede kvanteforskningsaktivitet er at udvikle vores forståelse af præcis, hvordan kvanteteknologier beviseligt kan udkonkurrere konventionelle computere.

For nylig Dr. Montanaro, sammen med professor Noah Linden fra Matematisk Skole, organiseret en Heilbronn Focused Research Group om emnet quantum computational supremacy.

Dette møde bragte nogle af verdens ledere på området, fra både industri og akademi, til Bristol for en uge med intense diskussioner og samarbejde. Blandt de fremmødte var en af ​​teoretikerne, der udtog bosonprøver, Professor Scott Aaronson, fra UT Austin.

Selvom det kan tage lidt længere tid at udføre klassiske computere end oprindeligt håbet, Dr. Laing er stadig optimistisk med hensyn til mulighederne for at bygge en enhed til netop det.

Han sagde:"Vi har nu en solid idé om den teknologiske udfordring, vi skal møde for at demonstrere, at kvantemaskiner kan udregne deres klassiske modstykker. For bosonsampling, singulariteten ligger lige over 50 fotoner. Det er en hårdere møtrik at knække, end vi først troede, men vi har stadig lyst til vores chancer. "

Med Dr Laings gruppe fokuseret på praktiske anvendelser af kvanteteknologier, det nuværende arbejde sætter grænser for størrelsen og sofistikeringen af ​​fotoniske anordninger, der vil være nødvendige for at tackle industrielt relevante problemer, der ligger uden for nutidens klassiske algoritmers muligheder.