Forskare från University of Bristol har upptäckt att superkraftfulla kvantdatorer, som forskare och ingenjörer över hela världen tävlar om att bygga, måste vara ännu kraftfullare än man tidigare trott innan de kan slå dagens vanliga datorer.

Kvantdatorer är en ny typ av maskin som arbetar med kvantmekanisk hårdvara och förutspås ge enorma hastighetsfördelar för att lösa vissa problem.

Forskargrupper vid ledande universitet och företag, inklusive Google, Microsoft och IBM, är en del av en världsomspännande tävling för att förverkliga den första kvantdatorn som går in i 'kvantberäkningssingulariteten'.

Detta representerar ett problem så komplext att dagens översta superdator skulle ta flera århundraden att hitta en lösning, medan en kvantdator kan knäcka den på några minuter.

Nu har ett team av forskare från Bristol upptäckt att gränsen till denna singularitet är längre bort än man tidigare trott.

Forskningen rapporteras den här veckan i Naturfysik .

Resultaten gäller en mycket inflytelserik kvantalgoritm som kallas 'bosonprovtagning', som var tänkt som en mycket direkt väg för att demonstrera quantum computings överlägsenhet över klassiska maskiner.

Bosonprovtagningsproblemet är utformat för att lösas av fotoner (ljuspartiklar) som styrs i optiska chips - teknik som föregångare från Bristols Quantum Engineering and Technology Labs (QETLabs).

Att förutsäga mönstret för många fotoner som kommer från ett stort optiskt chip är relaterat till en extremt hård slumpmässig matrisberäkning.

Med de snabba framstegen inom kvantteknik, det verkade som om ett bosonprovtagningsexperiment som gick in i kvantberäkningssingulariteten var inom räckhåll. Dock, Bristol -teamet kunde göra om en gammal klassisk algoritm för att simulera bosonprovtagning, med dramatiska konsekvenser.

Dr Anthony Laing, som leder en grupp i QETLabs och lett denna forskning, sa:"Det är som att ställa in ett gammalt propellerflygplan för att gå snabbare än ett tidigt jetflygplan.

"Vi befinner oss i ett ögonblick i historien där det fortfarande är möjligt för klassiska algoritmer att överträffa de kvantalgoritmer som vi förväntar oss att i slutändan vara supersoniska.

"Men att demonstrera en sådan bedrift innebar att man samlade ett team av forskare, matematiker, och programmerare. "

Klassisk algoritmsexpert Dr Raphaël Clifford, från Bristols institution för datavetenskap, redesignat flera klassiska algoritmer för att attackera bosonprovtagningsproblemet, med 1950 -talets metropolerade självständighetssamplingsalgoritm som ger bästa prestanda.

Simuleringskoden optimerades av QETLabs -forskaren 'EJ', en tidigare LucasArts programmerare. Expertis på beräkningskomplexitet kom från Dr Ashley Montanaro, från Bristols matematikskola, medan QETLabs -eleverna Chris Sparrow och Patrick Birchall utarbetade den förväntade prestandan för den konkurrerande kvantfotonikologin.

Kärnan i projektet och att föra samman alla dessa delar var QETLabs doktorand och första författare på tidningen, Alex Neville, som testade, genomfört, jämfört, och analyserade, alla algoritmer.

Han sa:"Det största bosonprovningsexperimentet som rapporterats hittills är för fem fotoner.

"Man trodde att 30 eller till och med 20 fotoner skulle räcka för att visa kvantberäkningsöverlägsenhet."

Ändå kunde han simulera bosonprovtagning för 20 fotoner på sin egen bärbara dator, och ökade simuleringsstorleken till 30 fotoner med hjälp av avdelningsservrar.

Alex tillade:"Med tillgång till dagens mest kraftfulla superdator, vi skulle kunna simulera bosonprovtagning med 50 fotoner. "

Forskningen bygger på Bristols rykte som ett centrum för kvantvetenskap och utveckling av kvantteknik.

Genom QETLabs, universitetet har inlett ett ambitiöst program för att ta ut kvantteknologi från laboratoriet och konstruera dem till användbara enheter som har verkliga tillämpningar för att hantera några av samhällets tuffaste problem.

Förutom samarbeten med teknikföretag som Microsoft, Google, och Nokia, nystartade företag och ny affärsverksamhet med fokus på kvantteknik har dykt upp i Bristol.

Ett viktigt tema för den övergripande kvantforskningsaktiviteten är att utveckla vår förståelse för exakt hur kvantteknik bevisligen kan överträffa konventionella datorer.

Nyligen Dr Montanaro, tillsammans med professor Noah Linden från matematikhögskolan, organiserade en Heilbronn Focused Research Group om ämnet quantum computational supremacy.

Detta möte förde några av världens ledare inom området, från både industrin och akademin, till Bristol för en vecka med intensiva diskussioner och samarbete. Bland deltagarna var en av teoretikerna som utarbetade provtagning av boson, Professor Scott Aaronson, från UT Austin.

Även om det går bättre än klassiska datorer att ta lite längre tid än vad man ursprungligen hoppades, Dr Laing är fortfarande optimistisk med tanke på möjligheterna att bygga en enhet för att göra just det.

Han sa:"Vi har nu en solid uppfattning om den tekniska utmaning vi måste möta för att visa att kvantmaskiner kan beräkna sina klassiska motsvarigheter. För bosonprovtagning, singulariteten ligger strax över 50 fotoner. Det är en tuffare nöt att knäcka än vi först trodde, men vi chansar fortfarande på våra chanser. "

Med Dr Laings grupp fokuserad på praktiska tillämpningar av kvantteknologi, det nuvarande arbetet sätter gränser för storlek och sofistikering av fotoniska enheter som kommer att krävas för att ta itu med industriellt relevanta problem som ligger utanför dagens klassiska algoritmer.