Разблокировка квантового фронтира: Как выборка бозонов ставит под сомнение классические вычисления и переопределяет возможное. Изучите науку, технологии и будущее влияние этого квантового феномена. (2025)

• Введение в выборку бозонов: Происхождение и значение
• Основные принципы: Как работает выборка бозонов
• Ключевые эксперименты и вехи в выборке бозонов
• Сравнение выборки бозонов с другими квантовыми алгоритмами
• Технологические требования: Фотоника, детекторы и масштабируемость
• Текущие ограничения и технические проблемы
• Потенциальные приложения: От квантового превосходства до криптографии
• Рынок и общественный интерес: Прогнозы роста и тенденции (Ожидаемый рост исследовательской активности на 30% к 2027 году)
• Ведущие учреждения и исследовательские инициативы (например, mit.edu, iqoqi.at, nist.gov)
• Будущий взгляд: Дорожная карта к практическому квантовому преимуществу
• Источники и ссылки

Введение в выборку бозонов: Происхождение и значение

Выборка бозонов — это специализированная задача квантовых вычислений, которая привлекла значительное внимание с момента ее предложения в 2011 году Скоттом Ааронсоном и Алексеем Архиповым. Концепция основана на поведении бозонов — частиц, таких как фотоны, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, когда они проходят через линейную оптическую сеть. В отличие от универсальных квантовых компьютеров, которые стремятся решать широкий спектр задач, устройства выборки бозонов предназначены для конкретной вычислительной задачи: выборки из вероятностного распределения неразличимых бозонов, рассеянных через сеть делителей пучка и фазовых сдвигателей. Считается, что эта задача неразрешима для классических компьютеров, поскольку число бозонов увеличивается, из-за экспоненциального роста сложности вычисления постоянных матриц, математической операции, центральной для проблемы.

Происхождение выборки бозонов тесно связано с поиском демонстрации «квантового превосходства», вехи, когда квантовое устройство выполняет вычисление, которое практически невозможно для любого классического компьютера. Работа Ааронсона и Архипова предложила конкретное, экспериментально доступное предложение для такой демонстрации, не требующее полной нагрузки коррекции ошибок или универсальных квантовых ворот. Их теоретическая основа предполагала, что даже относительно маломасштабное фотонное устройство может превзойти классические суперкомпьютеры в этой конкретной задаче, при условии, что система может надежно генерировать и обнаруживать множество неразличимых фотонов.

Значение выборки бозонов выходит за пределы ее непосредственной вычислительной задачи. Она служит эталоном для фотонных квантовых технологий, способствуя развитию источников одиночных фотонов, интегрированных фотонных схем и высокоэффективных детекторов. Крупные исследовательские учреждения и организации, такие как Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Национальный центр научных исследований (CNRS) и Китайская академия наук (CAS), внесли свой вклад в экспериментальные демонстрации и теоретический анализ выборки бозонов. В 2020 году группа из Университета науки и технологий Китая под руководством CAS сообщила о фотонном квантовом компьютере под названием Jiuzhang, который выполнил выборку гауссовских бозонов с 76 обнаруженными фотонами, что считалось недостижимым для классической симуляции в то время.

Хотя выборка бозонов не является универсальным квантовым компьютером и не решает напрямую практические задачи, такие как разложение на множители или оптимизация, ее важность заключается в предоставлении четкого, экспериментально доступного пути для демонстрации квантового вычислительного преимущества. На 2025 год она остается фокусом как для фундаментальных исследований в области квантовой информационной науки, так и для разработки масштабируемых фотонных квантовых технологий.

Основные принципы: Как работает выборка бозонов

Выборка бозонов — это специализированная задача квантовых вычислений, которая использует уникальные свойства бозонов — частиц, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, таких как фотоны, для выполнения вычислений, которые считаются неразрешимыми для классических компьютеров. Основной принцип, лежащий в основе выборки бозонов, основан на квантовом интерференции и неразличимости бозонов. Когда несколько идентичных фотонов проходят через линейную оптическую сеть, состоящую из делителей пучка и фазовых сдвигателей, их коллективное поведение регулируется квантовомеханическими правилами суперпозиции и интерференции.

Процесс начинается с подготовки определенного числа одиночных фотонов, обычно с использованием источников, таких как спонтанное параметрическое понижение или квантовые точки. Эти фотоны вводятся в выбранные входные режимы линейного оптического интерферометра. Сам интерферометр является пассивным устройством, что означает, что он не требует активных элементов, таких как детекторы фотонов или механизмы обратной связи в сети. Вместо этого он состоит из тщательно организованной серии делителей пучка и фазовых сдвигателей, которые смешивают входные фотоны по нескольким выходным режимам.

Когда фотоны проходят через интерферометр, их квантовые состояния эволюционируют в соответствии с унитарным преобразованием, определяемым оптической сетью. Из-за неразличимости фотонов их вероятностные амплитуды интерферируют, что приводит к сложному выходному распределению. Последний шаг включает в себя измерение числа фотонов в каждом выходном режиме с помощью высокочувствительных детекторов одиночных фотонов. Полученный шаблон счетов фотонов по выходным режимам составляет одну выборку из распределения выборки бозонов.

Вычислительная задача возникает, потому что вероятность наблюдения определенной выходной конфигурации пропорциональна квадратному модулю постоянной подматрицы унитарной матрицы, описывающей интерферометр. Вычисление постоянной большой матрицы — это задача, известная как #P-трудная, что означает, что считается, что она экспоненциально сложна для классических компьютеров по мере увеличения числа фотонов и режимов. Это свойство лежит в основе потенциала выборки бозонов для демонстрации «квантового преимущества» — способности квантовых устройств решать конкретные проблемы быстрее, чем любой известный классический алгоритм.

Выборка бозонов не предоставляет универсальный квантовый компьютер, но она служит мощным эталоном для фотонных квантовых технологий. Ведущие исследовательские учреждения, такие как Национальный институт стандартов и технологий и Национальный научный фонд, поддержали фундаментальные работы в этой области, признавая ее важность как для фундаментальной физики, так и для разработки масштабируемых квантовых систем.

Ключевые эксперименты и вехи в выборке бозонов

Выборка бозонов стала ключевой задачей в квантовых вычислениях, предназначенной для демонстрации квантового преимущества с использованием фотонных систем. С момента ее предложения в 2011 году в этой области произошло множество знаковых экспериментов и технологических вех, каждая из которых расширяет границы достижимого с помощью неуниверсальных квантовых устройств.

Первые экспериментальные демонстрации выборки бозонов были зарегистрированы в 2013 году, с маломасштабными реализациями, использующими три-четыре фотона. Эти пионерские усилия, проведенные исследовательскими группами в таких учреждениях, как Университетский колледж Лондона и Оксфордский университет, подтвердили осуществимость протокола выборки бозонов и подготовили почву для дальнейшего масштабирования. Эксперименты использовали линейные оптические сети и источники одиночных фотонов, устанавливая основные методы для фотонной квантовой обработки информации.

Значительная веха была достигнута в 2019 году, когда Университет науки и технологий Китая (USTC) сообщил о эксперименте выборки бозонов с 20 фотонами и 60-режимным интерферометром. Этот эксперимент, известный как «Jiuzhang», стал первым случаем, когда устройство выборки бозонов выполнило задачу, которую считали неразрешимой для классических суперкомпьютеров, тем самым предоставив убедительные доказательства квантового вычислительного преимущества. Достижение USTC было широко признано как прорыв, демонстрирующий масштабируемость фотонных квантовых систем и потенциал для дальнейших достижений.

Параллельно другие ведущие учреждения, такие как Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и Массачусетский технологический институт (MIT), внесли свой вклад в разработку более эффективных источников фотонов, улучшение детекционных технологий и стратегий смягчения ошибок. Эти технологические достижения были решающими для решения проблем потерь фотонов, несовпадения режимов и масштабируемости, которые свойственны экспериментам выборки бозонов.

К 2025 году в этой области произошло дальнейшее продвижение, с экспериментами, включающими еще большее число фотонов и более сложные интерферометрические сети. Текущие работы в USTC, а также сотрудничество с международными партнерами продолжают расширять границы выборки бозонов, исследуя новые архитектуры и интеграцию с другими квантовыми технологиями. Эти усилия не только углубляют наше понимание квантовой вычислительной сложности, но и прокладывают путь для практических приложений в квантовом моделировании и безопасной связи.

В совокупности эти ключевые эксперименты и вехи подчеркивают быстрое развитие выборки бозонов от теоретического предложения к практической демонстрации квантового преимущества, с крупными вкладами со стороны всемирно известных исследовательских учреждений и научных организаций.

Сравнение выборки бозонов с другими квантовыми алгоритмами

Выборка бозонов — это специализированная задача квантовых вычислений, которая привлекла значительное внимание как потенциальная демонстрация квантового преимущества. В отличие от универсальных квантовых алгоритмов, таких как алгоритм Шора для разложения на множители или алгоритм Гровера для поиска, выборка бозонов не предназначена для решения широкого класса задач, а скорее для эффективной выборки из выходного распределения неразличимых бозонов — обычно фотонов — проходящих через линейную оптическую сеть. Считается, что эта задача неразрешима для классических компьютеров, поскольку число фотонов и режимов увеличивается, из-за вычислительной сложности, связанной с вычислением постоянных матриц, проблемы, известной как #P-трудная.

В сравнении, алгоритмы, такие как алгоритмы Шора и Гровера, предназначены для универсальных квантовых компьютеров, которые требуют высококачественных кубитов, коррекции ошибок и способности выполнять широкий спектр квантовых ворот. Выборка бозонов, напротив, может быть реализована на более ограниченной платформе — линейных оптических схемах — без необходимости в универсальной квантовой логике или коррекции ошибок. Это делает выборку бозонов привлекательным кандидатом для демонстраций квантового преимущества в ближайшем будущем, поскольку она менее требовательна к аппаратным требованиям. Однако ее практические приложения ограничены, поскольку проблема, которую она решает, не является непосредственно полезной для большинства реальных вычислительных задач.

Еще одной точкой сравнения является квантовый отжиг, реализованный такими организациями, как D-Wave Systems. Квантовые отжигатели предназначены для решения задач оптимизации, используя квантовое туннелирование и суперпозицию, но они не являются универсальными квантовыми компьютерами. Хотя как выборка бозонов, так и квантовый отжиг являются примерами специализированных квантовых устройств, выборка бозонов сосредоточена на задаче выборки с сильными теоретическими доказательствами классической неразрешимости, тогда как вычислительное преимущество квантовых отжигателей остается открытым вопросом для многих практических задач.

Теоретические работы исследователей в таких учреждениях, как Массачусетский технологический институт и Оксфордский университет, показали, что симуляция выборки бозонов на классическом компьютере становится экспоненциально сложнее по мере роста размера системы, в то время как некоторые другие квантовые алгоритмы могут быть эффективно смоделированы для малых размеров задач. Это экспоненциальное масштабирование является ключевой причиной, почему выборка бозонов считается многообещающим путем к демонстрации квантового превосходства, вехи, впервые заявленной Google с использованием другого подхода с их процессором Sycamore (Google).

В заключение, выборка бозонов занимает уникальное положение среди квантовых алгоритмов: она не является универсальной и не имеет широкого применения, но является сильным кандидатом для демонстрации квантового вычислительного преимущества с использованием текущих или близких к этому фотонных технологий. Ее сравнение с другими квантовыми алгоритмами подчеркивает разнообразие подходов в этой области и подчеркивает важность как специализированных, так и универсальных квантовых устройств в продолжающемся развитии квантовых вычислений.

Технологические требования: Фотоника, детекторы и масштабируемость

Выборка бозонов — это специализированная задача квантовых вычислений, которая использует квантовую интерференцию неразличимых фотонов, проходящих через линейную оптическую сеть. Технологические требования для реализации выборки бозонов в масштабах являются строгими, сосредоточенными на трех основных столпах: передовой фотонике, высокоэффективных детекторах одиночных фотонов и масштабируемых архитектурах.

Фотоника составляет основу экспериментов выборки бозонов. Процесс требует источников, способных генерировать одиночные фотоны с высокой чистотой, неразличимостью и низкими потерями. Спонтанное параметрическое понижение (SPDC) и спонтанное четырехволновое смешение (SFWM) являются общепринятыми методами для генерации фотонов, но масштабирование этих источников для производства множества одновременных фотонов остается проблемой. Интегрированные фотонные схемы, изготовленные на платформах, таких как кремний или кремний нитрид, все чаще используются для реализации сложных интерферометрических сетей, необходимых для выборки бозонов. Эти чипы должны поддерживать фазовую стабильность и низкие оптические потери, чтобы сохранить квантовую когерентность по мере увеличения числа фотонов. Организации, такие как Национальный институт стандартов и технологий и Институт Пауля Шеррера, активно участвуют в продвижении фотонной интеграции и технологий квантовой оптики.

Детекторы являются еще одним критически важным компонентом. Выборка бозонов требует детекторов одиночных фотонов с высокой квантовой эффективностью, низкими уровнями темного счета и быстрой временной разрешающей способностью. Сверхпроводящие нанопроводные детекторы одиночных фотонов (SNSPD) стали ведущей технологией, предлагая эффективность выше 90% и пикосекундную временную точность. Эти детекторы должны быть интегрированы с фотонными схемами и масштабированы для обработки увеличивающегося числа выходных режимов по мере роста экспериментов. Исследовательские учреждения, такие как Национальный институт стандартов и технологий и RIKEN, находятся на переднем крае разработки и характеристики современных детекторов одиночных фотонов.

Масштабируемость остается самой значительной преградой для выборки бозонов. По мере увеличения числа фотонов и режимов сложность оптической сети и требования к источникам фотонов и детекторам растут экспоненциально. Потери, несовпадение режимов и несовершенная неразличимость могут быстро ухудшить производительность, что затрудняет поддержание квантового преимущества. Усилия по решению проблем масштабируемости включают разработку мультиплексированных источников фотонов, техники смягчения ошибок и интеграцию всех компонентов на одном фотонном чипе. Международные сотрудничества, такие как те, что координируются Национальным центром научных исследований и Обществом Макса Планка, способствуют прогрессу к более крупным и более надежным устройствам выборки бозонов.

В заключение, технологические требования для выборки бозонов в 2025 году требуют продолжения инноваций в фотонной интеграции, технологии детекторов и проектировании масштабируемых систем. Преодоление этих вызовов имеет решающее значение для демонстрации квантового вычислительного преимущества и исследования новых границ в области квантовой информационной науки.

Текущие ограничения и технические проблемы

Выборка бозонов, специализированная задача квантовых вычислений, привлекла значительное внимание как потенциальная демонстрация квантового преимущества. Однако, несмотря на экспериментальный прогресс, к 2025 году остаются несколько критических ограничений и технических проблем, препятствующих ее масштабируемости и практической полезности.

Основная проблема заключается в генерации и манипуляции неразличимыми одиночными фотонами. Выборка бозонов требует множества фотонов, которые идентичны по всем степеням свободы — длине волны, поляризации и времени прихода. Текущие источники фотонов, такие как спонтанное параметрическое понижение и квантовые точки, часто страдают от вероятностного излучения и ограниченной неразличимости, что приводит к снижению точности в экспериментах. Улучшение эффективности и чистоты источников фотонов является текущей областью исследований для таких учреждений, как Национальный институт стандартов и технологий и Массачусетский технологический институт.

Еще одной значительной преградой являются оптические потери. По мере увеличения числа фотонов и оптических режимов потери в делителях пучка, фазовых сдвигателях и детекторах накапливаются, резко снижая вероятность успешных событий детекции множества фотонов. Потери не только уменьшают скорость выборки, но и открывают возможность для классических алгоритмов симулировать эксперимент, подрывая утверждения о квантовом преимуществе. Исследовательские группы в Калифорнийском технологическом институте и Оксфордском университете активно разрабатывают низкопотерянные фотонные схемы и более эффективные схемы детекции для решения этой проблемы.

Детекция фотонов сама по себе представляет дополнительные сложности. Современные детекторы одиночных фотонов, такие как сверхпроводящие нанопроводные детекторы одиночных фотонов (SNSPD), предлагают высокую эффективность и низкие темные счета, но масштабирование этих детекторов для обработки большого числа одновременных событий остается технологически сложной задачей. Интеграция больших массивов высокопроизводительных детекторов является приоритетом для таких организаций, как Национальный институт стандартов и технологий.

Кроме того, сложность проверки результатов выборки бозонов растет экспоненциально с увеличением размера системы. Классическая симуляция выборки бозонов является вычислительно неразрешимой для большого числа фотонов, что затрудняет подтверждение правильности квантовых экспериментов за пределами определенного масштаба. Эта проблема верификации является признанной проблемой среди сообщества квантовой информации, включая исследователей Американского физического общества.

Наконец, шум окружающей среды и декогеренция могут ухудшить квантовую интерференцию, еще больше ограничивая масштабируемость устройств выборки бозонов. Поддержание фазовой стабильности и минимизация внешних помех являются текущими инженерными задачами.

В заключение, хотя выборка бозонов остается многообещающим направлением для демонстрации квантового вычислительного превосходства, преодоление этих технических барьеров имеет решающее значение для ее продвижения. Требуются продолжительные междисциплинарные усилия для решения проблем качества источников фотонов, оптических потерь, масштабируемости детекторов, методов верификации и устойчивости к окружающей среде.

Потенциальные приложения: От квантового превосходства до криптографии

Выборка бозонов — это специализированная модель квантовых вычислений, которая использует квантовую интерференцию неразличимых бозонов — обычно фотонов — проходящих через линейную оптическую сеть. Хотя это не универсальный квантовый компьютер, выборка бозонов значима, поскольку считается, что она решает определенные вычислительные задачи экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры, предоставляя путь для демонстрации «квантового превосходства». Квантовое превосходство относится к моменту, когда квантовое устройство может выполнить задачу, невозможную для любого классического компьютера, даже если сама задача не является непосредственно полезной. Первоначальное предложение Ааронсона и Архипова в 2011 году предполагало, что выборка выходного распределения многих фотонов через сложный интерферометр является вычислительно трудной для классических машин, но естественно подходит для квантовых фотонных систем.

Самое непосредственное приложение выборки бозонов — это эталон для квантового превосходства. В 2020 году группа из Университета науки и технологий Китая (USTC) сообщила о эксперименте выборки бозонов с 76 фотонами, утверждая, что вычислительная задача была завершена за минуты, что заняло бы классическим суперкомпьютерам тысячи лет. Такие демонстрации имеют решающее значение для проверки возможностей квантового оборудования и для исследования границ классических и квантовых вычислений.

Помимо квантового превосходства, выборка бозонов имеет потенциальные последствия для криптографии. Вычислительная сложность симуляции выборки бозонов на классических компьютерах лежит в основе предложений для квантово-защищенных криптографических протоколов. Например, сложность предсказания или симуляции выходных распределений может быть использована для генерации криптографически безопасных случайных чисел или для построения протоколов квантовой аутентификации. Однако эти приложения остаются в значительной степени теоретическими, поскольку практические, масштабируемые устройства выборки бозонов все еще находятся в разработке.

Кроме того, выборка бозонов вдохновила исследования в области квантового моделирования и изучения сложных квантовых систем. Путем отображения определенных физических или химических процессов на структуру выборки бозонов исследователи надеются получить представление о молекулярных вибронных спектрах и других явлениях, которые классически недоступны. Такие организации, как Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и Nature (как ведущий научный издатель), подчеркивают роль выборки бозонов в продвижении квантовой оптики и теории вычислительной сложности.

Хотя практические приложения в криптографии и моделировании все еще находятся в стадии разработки, выборка бозонов остается ключевой вехой в поисках квантового преимущества, способствуя как технологическим инновациям, так и фундаментальным исследованиям в области квантовой информационной науки.

Рынок и общественный интерес: Прогнозы роста и тенденции (Ожидаемый рост исследовательской активности на 30% к 2027 году)

Выборка бозонов, специализированная задача квантовых вычислений, привлекла значительное внимание как в академических, так и в промышленных исследовательских сообществах из-за своего потенциала продемонстрировать квантовое преимущество над классическими компьютерами. На 2025 год рынок и общественный интерес к выборке бозонов демонстрируют устойчивый рост, с прогнозами, указывающими на ожидаемое увеличение исследовательской активности на 30% к 2027 году. Этот рост обусловлен достижениями в фотонных квантовых технологиях, увеличением финансирования и более широким поиском практического квантового превосходства.

Ключевыми игроками в этой области являются ведущие академические учреждения, национальные лаборатории и технологические компании. Организации, такие как Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и Национальный центр научных исследований (CNRS), находятся на переднем крае фундаментальных исследований, в то время как такие компании, как IBM и Xanadu, инвестируют в масштабируемые фотонные квантовые вычислительные платформы. Эти организации не только продвигают теоретические основы выборки бозонов, но и разрабатывают экспериментальные системы, которые расширяют границы того, что является вычислительно осуществимым.

Прогнозируемый рост исследовательской активности поддерживается несколькими тенденциями. Во-первых, увеличивающаяся доступность высококачественных источников одиночных фотонов и низкопотерянных оптических компонентов делает возможными более крупные и более сложные эксперименты выборки бозонов. Во-вторых, международные сотрудничества и инициативы открытого доступа ускоряют распространение знаний и экспериментальную репликацию. Например, CNRS и NIST поддержали совместные проекты, которые связывают теоретические и экспериментальные усилия на разных континентах.

Общественный интерес также растет, поскольку выборка бозонов часто упоминается как эталон для квантового вычислительного преимущества. Демонстрация крупномасштабных устройств выборки бозонов исследовательскими группами в Китае и Европе привлекла внимание как научного сообщества, так и широкой общественности, подчеркивая потенциал квантовых технологий для решения задач, недоступных классическим суперкомпьютерам. Это привело к увеличению инвестиций со стороны государственных и частных секторов, о чем свидетельствуют инициативы финансирования от национальных научных фондов и программ технологических инноваций.

Смотрим в будущее к 2027 году, ожидаемое увеличение исследовательской активности на 30% отражает не только технический прогресс в фотонных квантовых вычислениях, но и растущее признание выборки бозонов как критической вехи на пути к практическому квантовому преимуществу. Поскольку все больше организаций входит в эту область и экспериментальные возможности расширяются, выборка бозонов, вероятно, останется в центре квантовых исследований и инноваций.

Ведущие учреждения и исследовательские инициативы (например, mit.edu, iqoqi.at, nist.gov)

Выборка бозонов стала выдающейся промежуточной моделью квантовых вычислений, предлагая путь для демонстрации квантового вычислительного преимущества с фотонными системами. С момента ее предложения в 2011 году ведущие исследовательские учреждения и организации по всему миру возглавили как теоретические, так и экспериментальные достижения в этой области. Их усилия не только расширили границы квантовой оптики, но и предоставили критически важные эталоны для разработки масштабируемых квантовых технологий.

Одним из первых и наиболее влиятельных участников исследований выборки бозонов является Массачусетский технологический институт (MIT). Оригинальный протокол выборки бозонов был представлен Скоттом Ааронсоном и Алексеем Архиповым, когда они работали в MIT, положив теоретическую основу для последующих экспериментальных усилий. MIT продолжает оставаться центром квантовой информационной науки, с активными исследовательскими группами, изучающими вычислительную сложность и практическую реализацию выборки бозонов.

В Европе Институт квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук сыграл ключевую роль в продвижении фотонных квантовых экспериментов. Команды IQOQI продемонстрировали интерференцию многопотонных и разработали интегрированные фотонные схемы, которые необходимы для масштабирования устройств выборки бозонов. Их сотрудничество с другими европейскими учреждениями привело к значительным вехам, включая реализацию более крупных и стабильных экспериментов выборки бозонов.

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) в Соединенных Штатах также является ключевым игроком, известным своим опытом в квантовых измерениях и стандартах. Исследователи NIST внесли свой вклад в разработку высокоэффективных источников и детекторов одиночных фотонов, которые являются критически важными компонентами для надежной выборки бозонов. Их работа гарантирует, что экспериментальные результаты являются надежными, воспроизводимыми и могут быть оценены по сравнению с классическими симуляциями.

Другие заметные учреждения включают Кембриджский университет, где группа квантовой информации первопроходила интегрированные фотонные подходы к выборке бозонов, и Оксфордский университет, который внес вклад как в теоретические основы, так и в экспериментальные реализации крупных фотонных квантовых систем. В Китае Университет науки и технологий Китая (USTC) достиг рекордных экспериментов выборки бозонов, в частности, фотонного квантового компьютера «Jiuzhang», который продемонстрировал квантовое преимущество, выбирая из распределений, недоступных для классических суперкомпьютеров.

Эти учреждения, часто сотрудничая через континенты, находятся на переднем крае исследований выборки бозонов. Их инициативы поддерживаются национальными и международными фондами, а их открытое распространение результатов ускоряет прогресс в квантовой информационной науке по всему миру.

Будущий взгляд: Дорожная карта к практическому квантовому преимуществу

Выборка бозонов стала выдающимся кандидатом для демонстрации квантового преимущества — когда квантовые устройства превосходят классические компьютеры в определенных задачах. Основная идея заключается в отправке неразличимых фотонов через линейную оптическую сеть и выборке выходного распределения, процесс, который считается неразрешимым для классических компьютеров по мере увеличения числа фотонов. С момента ее предложения выборка бозонов служит эталоном для фотонных квантовых технологий и испытательным полем для изучения границ квантового вычислительного превосходства.

Смотрим вперед к 2025 году, дорожная карта достижения практического квантового преимущества с помощью выборки бозонов формируется как технологическим прогрессом, так и теоретическими разработками. Ключевые вехи включают увеличение числа фотонов и оптических режимов, улучшение неразличимости фотонов и снижение потерь в фотонных схемах. Ведущие исследовательские учреждения и организации, такие как Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Массачусетский технологический институт (MIT) и Оксфордский университет, активно разрабатывают интегрированные фотонные платформы и современные источники одиночных фотонов для решения этих задач.

Значительный прорыв был достигнут в 2020 году, когда команда из Университета науки и технологий Китая (USTC) продемонстрировала эксперимент выборки бозонов с 76 фотонами, заявив о квантовом вычислительном преимуществе. Однако практические приложения остаются ограниченными, так как выборка бозонов не является универсальным квантовым компьютером и в основном предназначена для конкретных задач выборки. Следующий этап включает в себя создание более надежных, масштабируемых и доступных устройств выборки бозонов с акцентом на смягчение ошибок и протоколы верификации. Ведутся усилия по интеграции источников фотонов на чипе, детекторов и перенастраиваемых схем, что необходимо для масштабирования и уменьшения сложности системы.

Теоретические исследования также продвигаются, новые алгоритмы и анализы сложности уточняют наше понимание классической сложности выборки бозонов. Сотрудничество между академическими учреждениями и национальными лабораториями, такими как NIST и Лос-Аламосская национальная лаборатория, имеет решающее значение для оценки квантовых устройств и разработки стандартов для оценки производительности.

К 2025 году ожидается, что эта область приблизится к демонстрации практического квантового преимущества в специализированных задачах, потенциально влияя на такие области, как квантовая химия, теория графов и машинное обучение. Хотя универсальные квантовые вычисления остаются долгосрочной целью, выборка бозонов продолжает стимулировать инновации в фотонных квантовых технологиях и служит критически важным этапом на пути к практическому квантовому преимуществу.

Источники и ссылки

• Национальный институт стандартов и технологий
• Национальный центр научных исследований
• Китайская академия наук
• Национальный научный фонд
• Университетский колледж Лондона
• Оксфордский университет
• Университет науки и технологий Китая
• Массачусетский технологический институт
• D-Wave Systems
• Массачусетский технологический институт
• Оксфордский университет
• Google
• Институт Пауля Шеррера
• RIKEN
• Общество Макса Планка
• Калифорнийский технологический институт
• Nature
• IBM
• Xanadu
• Институт квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI)
• Национальный институт стандартов и технологий (NIST)
• Кембриджский университет
• Университет науки и технологий Китая (USTC)
• Лос-Аламосская национальная лаборатория