نبضة ليزر بطول نانوثانية ونصف تصطدم ببلورة غير خطية، فيولد تيار من الضوء المضغوط. هكذا تبدأ تجربة على المعالج الكمومي «جوتشجانج 4.0» في الصين. في غضون 25.6 ميكروثانية، ينتج هذا المتاهة من المرايا والألياف البصرية عينة قد يحتاج أقوى حاسوب كلاسيكي عملاق El Capitan إلى أكثر من $10^{42}$ عامًا لإنتاجها. عمر الكون هو 1.4×$10^{10}$ سنة فقط.

أخذ العينات البوزونية الغاوسية (Gaussian boson sampling) هي تجربة كمومية مع فوتونات متشابكة تحول المعالج الفوتوني إلى مولد أرقام عشوائية بإحصائيات معقدة بشكل لا يمكن تصوره. كل فوتون، أثناء مروره عبر متاهة من 8176 نمطًا، يختار تقريبًا واحدًا من مسارات لا حصر لها، ويعتمد اختياره على جميع الفوتونات الأخرى. على الكمبيوتر الكلاسيكي أن يفحص هذه المسارات واحدًا تلو الآخر، وعددها ينمو بشكل أسي. يستخدم «جوتشجانج 4.0» ترميزًا هجينًا مكانيًا-زمانيًا: الفوتونات موزعة في الفضاء وفي زمن الوصول، مما يعطي نموًا تكعيبيًا في الترابط: 16×16×16 = 4096 توليفة محتملة مع نمو خطي في الموارد الفيزيائية.

سابقًا، كانت الخسائر هي المشكلة الرئيسية في الحوسبة الكمومية الفوتونية: كانت الفوتونات تضيع في العناصر البصرية، مما أعطى الخوارزميات الكلاسيكية ثغرة: يمكن محاكاة نظام "مثقوب" بدلًا من نظام مثالي، وهذا أسهل بكثير. في العمل الجديد، تمكنوا من تقليص الخسائر إلى 49% على كامل الدائرة: مصادر الضوء المضغوط بكفاءة 92%، والكاشفات 93%، والطور مثبت بدقة λ/200. هذا سمح لأول مرة بتوسيع نطاق أخذ العينات البوزونية الغاوسية إلى 1024 حالة مضغوطة دخلًا و8176 نمطًا خرجًا، مسجلين ما يصل إلى 3050 توافقًا فوتونيًا، أي أكثر من عشرة أضعاف الأرقام القياسية السابقة.

المقارنة مع أفضل المحاكيات الكلاسيكية أظهرت أن لا أحد منها قادر على إعادة إنتاج إحصائيات الجهاز. حتى خوارزمية المصفوفات MPS (حاصل ضرب المصفوفات للحالات، وهي طريقة لوصف النظام الكمومي بشكل مضغوط) تتطلب بُعد ترابط χ أكبر من 8×$10^{21}$، مما يجعل الحسابات مستحيلة. تقدير زمن المحاكاة على El Capitan يتجاوز $10^{42}$ عامًا، بينما ينتج المعالج الكمومي العينة في 25.6 ميكروثانية. التسارع يتجاوز $10^{54}$ مرة. هذه لم تعد سباقًا، بل هوة.

حتى الآن، لم يكن واضحًا ما إذا كان يمكن توسيع نطاق أخذ العينات البوزونية الغاوسية إلى آلاف الأنماط دون أن تلغي خسائر الفوتونات الميزة الكمومية. أجاب «جوتشجانج 4.0»: نعم، يمكن. من خلال إنشاء مخطط هجين مكاني-زماني مع ترابط تكعيبي ومصادر عالية الكفاءة، أظهر الفيزيائيون أنه مع كفاءة إجمالية 51% و1024 حالة مضغوطة، لا يمكن للخوارزميات الكلاسيكية، بما فيها MPS، إعادة إنتاج إحصائيات التجربة حتى نظريًا. يمكن لهذه المنصة الآن أن تكون ميدانًا لتوليد الحالات العنقودية (cluster states)، وهي شبكات متشابكة ضرورية للحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء القائمة على القياس.

الخطوة التالية هي استخدام نفس البنية لإنشاء حالات عنقودية ثلاثية الأبعاد ضخمة. الترميز الهجين المكاني-الزماني يسمح بالفعل بالتحكم في آلاف الأنماط شديدة التشابك، والتحسين الإضافي للمصادر والكاشفات قد يرفع الكفاءة وعدد الفوتونات إلى أعلى. ربما ستظهر أيضًا خوارزميات كلاسيكية جديدة تستهدف هذه البنية تحديدًا، وسيستمر السباق، لكن الآن لدى الجانب الكمومي هامش أمان كبير. المتاهة التي تجد فيها الفوتونات طريقها في ميكروثوانٍ، بينما لا يكفي الكمبيوتر الكلاسيكي عمر الكون، تظل غير قابلة للعبور حتى الآن.