Лазерный импульс длиной в полторы наносекунды врезается в нелинейный кристалл — и рождается поток сжатого света. Так начинается эксперимент на квантовом процессоре «Цзючжан 4.0» в Китае. За 25,6 микросекунды этот лабиринт из зеркал и оптоволокна выдаёт выборку, на которую самому мощному классическому суперкомпьютеру El Capitan понадобилось бы больше $10^{42}$ лет. Возраст Вселенной — всего 1,4×$10^{10}$ лет.

Гауссовское бозонное сэмплирование — это квантовый эксперимент с запутанными фотонами, который превращает фотонный процессор в генератор случайных чисел с невообразимо сложной статистикой. Каждый фотон, пробегая через лабиринт из 8176 мод, как бы выбирает один из бесчисленных путей, и его выбор зависит от всех остальных. Классическому компьютеру приходится перебирать эти пути один за другим, и их число растёт экспоненциально. «Цзючжан 4.0» использует гибридное пространственно-временное кодирование: фотоны разнесены и по положению в пространстве, и по времени прихода, что даёт кубический рост связности — 16×16×16 = 4096 возможных комбинаций при линейном росте физических ресурсов.

Раньше главной бедой фотонных квантовых вычислений были потери: фотоны терялись в оптических элементах, и это давало классическим алгоритмам лазейку — можно было симулировать не идеальную, а «дырявую» систему, что гораздо проще. В новой работе потери удалось ужать до 49% на всей схеме: источники сжатого света имеют эффективность 92%, детекторы — 93%, а фаза стабилизирована с точностью λ/200. Это позволило впервые масштабировать гауссовское бозонное сэмплирование до 1024 входных сжатых состояний и 8176 выходных мод, зарегистрировав до 3050 фотонных совпадений — более чем на порядок выше прежних рекордов.

Сравнение с лучшими классическими имитаторами показало: ни один из них не в состоянии воспроизвести статистику устройства. Даже недавний матричный алгоритм MPS (матричное произведение состояний — способ компактного описания квантовой системы) требует размерности связи χ более 8×$10^{21}$, что делает вычисления невозможными. Оценка времени симуляции на El Capitan превышает $10^{42}$ лет, тогда как квантовый процессор выдаёт выборку за 25,6 микросекунды. Ускорение — более чем в $10^{54}$ раз. Это уже не гонка, а пропасть.

До сих пор было неясно, можно ли масштабировать гауссовское бозонное сэмплирование до тысяч мод, не позволив потерям фотонов свести на нет квантовое преимущество. «Цзючжан 4.0» ответил: да, можно. Создав гибридную пространственно-временную схему с кубической связностью и высокоэффективными источниками, физики показали, что при общей эффективности 51% и 1024 сжатых состояниях классические алгоритмы, включая MPS, не могут воспроизвести статистику эксперимента даже теоретически. Эта платформа теперь может служить полигоном для генерации кластерных состояний — запутанных сетей, необходимых для отказоустойчивых квантовых вычислений на основе измерений.

Следующий шаг — использовать ту же архитектуру для создания массивных трёхмерных кластерных состояний. Гибридное пространственно-временное кодирование уже сейчас позволяет управлять тысячами сильно запутанных мод, а дальнейшее улучшение источников и детекторов может поднять эффективность и число фотонов ещё выше. Возможно, появятся и новые классические алгоритмы, нацеленные именно на такую архитектуру, — гонка продолжится, но теперь квантовая сторона имеет солидный запас прочности. Лабиринт, в котором фотоны находят путь за микросекунды, а классическому компьютеру не хватит времени Вселенной, остаётся пока непреодолимым.