Перед сборкой огромного пазла нужно наштамповать детали — иначе картинка не сложится. В квантовых компьютерах на основе слияния роль таких деталей играют крошечные сгустки света — фотонные ресурсные состояния. Их сталкивают и измеряют, чтобы постепенно вырастить вычислительную ткань. Но фабрика этих световых пазлов работает с перебоями: рождение каждой детали — вероятностное событие, и брака получается больше, чем годных кусочков.
Группа исследователей взглянула на проблему иначе — не как на конвейер, а как на поиск самого короткого пути. Раньше, чтобы построить нужную световую заготовку, перебирали порядок испускания фотонов из квантовых излучателей — специальных атомов, способных выпускать одиночные частицы света. Это похоже на попытку собрать слово из кубиков с буквами, не зная, в каком порядке их высыпают из мешка: вариантов много, а идеальный — один. Задача поиска минимального числа излучателей и операций среди всех возможных порядков оказалась настолько сложной, что её отнесли к разряду NP-трудных — тех, где решение не найти простым перебором даже на мощном компьютере.
Авторы заметили, что у ресурсных состояний есть скрытая симметрия — как у снежинки, где лучи повторяют друг друга. Оказалось, что эту симметрию можно использовать, чтобы резко упростить оптимизацию. Вместо слепого перебора они нашли способ предсказывать лучший порядок испускания, опираясь на внутреннюю структуру светового узора. Для самого навороченного 24-фотонного состояния, которое несёт в себе логическую защиту от ошибок, результат ошеломляет: всего 3 излучателя и 11 CNOT-операций — логических вентилей, похожих на переключатели «если-то» в обычной электронике.
Снежинка больше не требует бури. Три излучателя, одиннадцать точных движений — и сложнейший световой пазл готов к работе. Снижение числа излучателей и операций напрямую означает, что будущие квантовые процессоры на свету можно будет строить из гораздо более скромных и дешёвых установок. Фабрика ресурсных состояний перестаёт быть главным тормозом на пути к масштабируемому квантовому компьютеру.
Квантовый излучатель, испускающий одиночные фотоны по команде, можно сравнить с крошечной пушкой, стреляющей световыми пулями. Но в отличие от пуль, фотоны не просто летят — они ещё и запутаны друг с другом, как если бы выстрелы были синхронизированы невидимой нитью.