Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage
Il documento riporta che il computer quantistico Jiuzhang 3.0 ha ottenuto un significativo vantaggio computazionale quantistico eseguendo il campionamento di bosoni gaussiani con fino a 255 eventi di clic fotonici in 1,27 microsecondi, un compito stimato richiedere al supercomputer Frontier miliardi di anni utilizzando algoritmi classici esatti.
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Nella ricerca di macchine capaci di risolvere problemi che vanno oltre la portata dei supercomputer più potenti di oggi, gli scienziati stanno esplorando un tipo specifico di calcolo noto come campionamento quantistico. Immaginate di cercare di prevedere l'esito di un gioco complesso le cui regole sono governate dalle strane leggi della fisica quantistica, la scienza che descrive come la luce e la materia si comportano alle scale più piccole. In questo regno, particelle come i fotoni possono esistere in più stati contemporaneamente e interferire tra loro in modi che creano schemi troppo intricati perché i computer classici possano tracciarli efficientemente. L'obiettivo del campionamento quantistico è generare questi complessi schemi di luce e verificare che corrispondano alle previsioni della teoria quantistica. Se una macchina può farlo più velocemente di quanto qualsiasi computer classico potrebbe potenzialmente calcolare, dimostra un "vantaggio computazionale quantistico", un traguardo che prova che i dispositivi quantistici sono entrati veramente in una nuova era di capacità. Non si tratta solo di velocità; si tratta di verificare che l'universo si comporti in modi che la nostra attuale comprensione classica non può facilmente simulare, un concetto che è stato teorizzato per decenni ma testato solo di recente in laboratorio.
Un team di ricercatori ha ora spinto ulteriormente questa frontiera con un nuovo esperimento che coinvolge una macchina che chiamano Jiuzhang 3.0. Questo dispositivo è progettato per eseguire un compito chiamato campionamento di bosoni gaussiani, che consiste nell'inviare flussi di particelle di luce attraverso una complessa rete di specchi e divisori di fascio (beam splitter) e poi contare quante particelle arrivano all'uscita. I ricercatori hanno aggiornato la loro configurazione utilizzando un metodo di rilevamento speciale che può dire non solo se è arrivata una particella di luce, ma quante ne sono arrivate in un singolo impulso. Ciò ha permesso loro di registrare fino a 255 distinti eventi di particelle luminose in una singola esecuzione, un aumento significativo rispetto ai tentativi precedenti. Catturando informazioni molto più dettagliate, il team ha creato un compito di campionamento che è vastamente più difficile da imitare per i computer classici. Hanno scoperto che la loro macchina poteva produrre un singolo campione di questo complesso schema di luce in soli 1,27 microsecondi, una frazione di secondo. In netto contrasto, hanno stimato che anche il supercomputer più potente del mondo, chiamato Frontier, richiederebbe circa 600 anni per generare un singolo campione ideale della stessa distribuzione utilizzando i metodi esatti più avanzati disponibili.
Il significato di questo lavoro va oltre la pura velocità; risiede nel modo in cui il team ha provato rigorosamente che i loro risultati erano genuinamente quantistici e non solo un astuto trucco di un computer classico. Nel corso degli anni, i critici hanno proposto varie "imitazioni" (mockups), o simulazioni classiche, che tentano di riprodurre i modelli statistici di questi esperimenti senza utilizzare realmente la meccanica quantistica. Alcuni di questi trucchi proposti implicano l'assunzione che le particelle di luce siano leggermente distinguibili l'una dall'altra o che si comportino come un tipo specifico di luce termica rumorosa. I ricercatori in questo studio hanno testato sistematicamente i loro dati contro tutte le imitazioni classiche più competitive attualmente note, incluso un modello di "stato schiacciato" (squashed state) recentemente proposto e altri progettati per sfruttare le limitazioni nelle connessioni dei circuiti. Utilizzando test statistici che confrontano la probabilità che i dati provengano da una vera fonte quantistica rispetto a un'imitazione classica, hanno scoperto che i loro risultati sperimentali si allineavano costantemente con la teoria quantistica e deviavano fortemente da ogni alternativa classica. Man mano che la dimensione dei set di dati cresceva, la fiducia che i risultati fossero veramente quantistici aumentava, escludendo efficacemente la possibilità che un computer classico potesse falsificare l'esito.
Per garantire che i loro risultati fossero robusti, il team ha anche sviluppato un modello più completo per tenere conto delle imperfezioni inerenti a qualsiasi esperimento del mondo reale, come il fatto che non tutte le particelle di luce siano perfettamente identiche. Questo nuovo modello, che includeva gli effetti della parziale distinguibilità tra le particelle, si adattava ai loro dati sperimentali meglio di qualsiasi metodo di modellazione precedente. Hanno ulteriormente convalidato i loro risultati analizzando come le particelle di luce correlavano tra loro attraverso il sistema. Hanno confrontato queste correlazioni con vari algoritmi classici che cercano di approssimare l'esperimento guardando solo piccole parti dell'insieme. L'analisi ha mostato che, mentre queste approssimazioni classiche potevano imitare schemi semplici e di basso livello, fallivano completamente di fronte alle complesse relazioni di ordine superiore presenti nel pieno sistema quantistico. I dati sperimentali si raggruppavano strettamente attorno alle previsioni della teoria quantistica, mentre le imitazioni classiche si allontanavano decisamente dalla rotta.
I ricercatori hanno calcolato il costo computazionale richiesto per simulare i loro campioni sperimentali più difficili su un supercomputer. Per il campione più difficile che hanno generato, hanno stimato che il supercomputer Frontier avrebbe richiesto un tempo molto più lungo dell'età dell'universo per calcolare il risultato utilizzando metodi esatti. Questa scala temporale è molto più lunga dell'età dell'universo, evidenziando l'immenso divario tra ciò che la loro macchina quantistica ha raggiunto in microsecondi e ciò che è teoricamente possibile per le macchine classiche. Superando i limiti dei precedenti metodi di rilevamento e convalidando i loro risultati contro ogni noto controargomento classico, il team ha stabilito un nuovo standard per il vantaggio computazionale quantistico. Il loro lavoro dimostra che, man mano che i sistemi quantistici crescono in dimensione e complessità, continuano a superare le simulazioni classiche con un margine schiacciante, fornendo una forte prova che l'accelerazione quantistica è un fenomeno reale e misurabile.
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