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科學(xué)家用光子芯片“點(diǎn)亮”量子計算，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”

軍工資源網(wǎng) 2022年06月02日

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光量子處理器（芯片）

▎這一研究解決了技術(shù)難題，或許能使他們“在通向可行量子計算機(jī)的長期競賽中領(lǐng)先”，而且這可能對整個量子信息處理任務(wù)的向前發(fā)展很有用。



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鈦媒體編輯丨林志佳


如果把硅光芯片與量子計算結(jié)合，會發(fā)生怎樣一個意想不到的結(jié)果？

鈦媒體App 6月2日消息，今天凌晨，英國頂級期刊《自然》（Nature）雜志發(fā)表了一份研究成果：

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院與加拿大量子技術(shù)公司Xanadu合作，開發(fā)了一種可以執(zhí)行多算法、可編程、可擴(kuò)展的光量子計算芯片。而且，研究人員通過Xanadu研發(fā)的光量子計算機(jī)Borealis，僅需36微秒，即可完成超級計算機(jī)需耗時超過9000年才能完成的一項任務(wù)，運(yùn)行速度加快了5000萬倍以上。該系統(tǒng)相對過去展示的光子設(shè)備有所改進(jìn)，從而再次顯示了“量子計算優(yōu)越性”（舊稱為量子霸權(quán)）。

科學(xué)家稱，這一研究顯示光量子計算機(jī)Borealis所釋放的計算潛力，有望解決下一代電池開發(fā)、藥物發(fā)現(xiàn)、金融和物流等領(lǐng)域一系列棘手問題。

巴西弗魯米嫩塞聯(lián)邦大學(xué)研究人員丹尼爾·布羅德（Daniel Brod）在接受鈦媒體App采訪時表示，這一研究解決了技術(shù)難題，或許能使他們“在通向可行量子計算機(jī)的長期競賽中領(lǐng)先”，而且這可能對整個量子信息處理任務(wù)的向前發(fā)展很有用。

此外，丹尼爾還表示，Borealis運(yùn)行時間結(jié)果，在某種意義上（本論文沒有對照實(shí)驗），超越了2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等人研發(fā)的中國“九章”量子計算原型機(jī)，而且前者的研究數(shù)據(jù)更大、更靈活，未來有望取代“九章”。

實(shí)際上，隨著集成電路技術(shù)逐漸接近原子極限，量子計算被認(rèn)為是后摩爾時代最具潛力的破局者。相比經(jīng)典電子計算機(jī)，量子計算可以提供指數(shù)級的算力提升，從而突破目前日益復(fù)雜的金融模型計算、生物醫(yī)藥、材料設(shè)計和人工智能等領(lǐng)域的算力瓶頸。

量子設(shè)備的一個關(guān)鍵目標(biāo)是超越經(jīng)典計算機(jī)系統(tǒng)，性能優(yōu)于世界上最快的超級計算機(jī)，就可以建立“量子優(yōu)越性”。而展示量子系統(tǒng)對經(jīng)典計算機(jī)優(yōu)越性的方法之一，是比較二者從描述光子通過網(wǎng)絡(luò)傳播特點(diǎn)的未知概率分布中取樣的速度，稱為高斯玻色取樣。人們可以計算出經(jīng)典計算機(jī)執(zhí)行該任務(wù)所需時間。但光子數(shù)量有一個閾值，在此之上，經(jīng)典計算機(jī)無法在合理時間內(nèi)完成計算。

目前量子計算包括超導(dǎo)量子、離子阱、硅基半導(dǎo)體、光量子和拓?fù)涞嚷肪€。其中，光量子路線的量子優(yōu)勢紀(jì)錄由中國“九章”獲得。而過去報告的實(shí)現(xiàn)高斯玻色取樣的實(shí)驗，最多使用113個光子，在固定鏡子和透鏡網(wǎng)絡(luò)中傳播。

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光子處理器“點(diǎn)亮”量子計算（來源：論文）

但此次，Xanadu公司研究人員喬納森·拉沃伊（Jonathan Lavoie）博士聯(lián)合美國科學(xué)家，在一個可編程光子單處理器上開展實(shí)驗，使用216個光子進(jìn)行的壓縮態(tài)量子比特的光量子計算機(jī)Borealis，利用直接模擬方式進(jìn)行任務(wù)計算。

最終發(fā)現(xiàn)，Borealis可以在36微秒內(nèi)，完成一項需要世界最快的超級計算機(jī)（剛被超越）日本Fugaku 9000 多年才能完成的樣本任務(wù)，是早期光子機(jī)器所報告極限值的5000萬倍以上。

研究人員還提到，這是目前報告的最大的量子優(yōu)越性光子實(shí)驗。相對于其他光子實(shí)驗的性能改進(jìn)，可歸功于簡化了檢測光子實(shí)驗、引入可編程性和降低對“欺騙”（指量子結(jié)果可以被經(jīng)典算法重復(fù)）的脆弱性。

Xanadu創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Christian Weedbrook表示，“這是量子計算的另一個重要里程碑。它展示了我們擁有非凡人才以及光子量子計算機(jī)擴(kuò)大規(guī)模的能力?！?/span>

不過，丹尼爾卻告訴鈦媒體App，光量子計算機(jī)無法形成實(shí)用工具，更多是“量子力學(xué)計算能力”的展示。而對于光量子計算的應(yīng)用，依然是懸而未決的問題?！坝杏玫牧孔犹幚砥髯罱K可能會成為商業(yè)產(chǎn)品，但這項研究至少在一段時間內(nèi)仍然屬于學(xué)術(shù)‘基礎(chǔ)科學(xué)’水平?！?/span>

此前有科學(xué)家提到，目前只有超導(dǎo)和離子阱滿足量子計算的5個準(zhǔn)則，其他研究方向都達(dá)不到5個。比如，光量子不滿足量子邏輯門的要求，單光子之間沒有相互作用使得光子之間不相互干涉，這是光子適用于遠(yuǎn)距離量子通信的原因，但也是其在量子計算中的弱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)量子邏輯門必需依靠兩個量子之間非線性的相互作用，而非線性作用在光學(xué)中必需依賴強(qiáng)光，非常難以實(shí)現(xiàn)。

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實(shí)驗中樣本的經(jīng)典模擬時間分布圖。紅色為Borealis，藍(lán)色為九章2.0，星號表示每個實(shí)驗中復(fù)雜度最高的樣本，凸顯出Borealis的計算優(yōu)勢（來源：論文）

丹尼爾表示，本研究并沒有“打破”谷歌和IBM在量子計算方面的成就。而且與他們的超導(dǎo)量子比特路線不同，本論文采用光量子技術(shù)，與潘建偉和陸朝陽之前的中國“九章”論文進(jìn)行比較會更公平?！霸谂c‘九章’比較中，Lavoie等人展示的設(shè)備在某種意義上肯定更大、更靈活，但我可以想象它在未來會被（Borealis）取代?！?/span>

丹尼爾強(qiáng)調(diào)，目前距離實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬量子比特的量子計算機(jī)還很遙遠(yuǎn)，沒有辦法預(yù)測哪種技術(shù)路線會首先成功。他預(yù)計，在接下來的幾年里，會有更多技術(shù)超越現(xiàn)有的量子計算優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

（本文首發(fā)鈦媒體App，作者｜林志佳）

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