科學家用光子晶片“點亮”量子計算,實現“量子霸權”|鈦媒體科普

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光量子處理器(晶片)

▎這一研究解決了技術難題,或許能使他們“在通向可行量子計算機的長期競賽中領先”,而且這可能對整個量子資訊處理任務的向前發展很有用。

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鈦媒體編輯丨林志佳

如果把矽光晶片與量子計算結合,會發生怎樣一個意想不到的結果?

鈦媒體App 6月2日訊息,今天凌晨,英國頂級期刊《自然》(Nature)雜誌發表了一份研究成果:

美國國家標準與技術研究院與加拿大量子技術公司Xanadu合作,開發了一種可以執行多演算法、可程式設計、可擴充套件的光量子計算晶片。而且,研究人員透過Xanadu研發的光量子計算機Borealis,僅需36微秒,即可完成超級計算機需耗時超過9000年才能完成的一項任務,執行速度加快了5000萬倍以上。該系統相對過去展示的光子裝置有所改進,從而再次顯示了“量子計算優越性”(舊稱為量子霸權)。

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

巴西弗魯米嫩塞聯邦大學研究人員丹尼爾·布羅德(Daniel Brod)在接受鈦媒體App採訪時表示,這一研究解決了技術難題,或許能使他們“在通向可行量子計算機的長期競賽中領先”,而且這可能對整個量子資訊處理任務的向前發展很有用。

此外,丹尼爾還表示,Borealis執行時間結果,在某種意義上(本論文沒有對照實驗),超越了2020年12月,中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等人研發的中國“九章”量子計算原型機,而且前者的研究資料更大、更靈活,未來有望取代“九章”。

實際上,隨著積體電路技術逐漸接近原子極限,量子計算被認為是後摩爾時代最具潛力的破局者。相比經典電子計算機,量子計算可以提供指數級的算力提升,從而突破目前日益複雜的金融模型計算、生物醫藥、材料設計和人工智慧等領域的算力瓶頸。

量子裝置的一個關鍵目標是超越經典計算機系統,效能優於世界上最快的超級計算機,就可以建立“量子優越性”。而展示量子系統對經典計算機優越性的方法之一,是比較二者從描述光子透過網路傳播特點的未知機率分佈中取樣的速度,稱為高斯玻色取樣。人們可以計算出經典計算機執行該任務所需時間。但光子數量有一個閾值,在此之上,經典計算機無法在合理時間內完成計算。

目前量子計算包括超導量子、離子阱、矽基半導體、光量子和拓撲等路線。其中,光量子路線的量子優勢紀錄由中國“九章”獲得。而過去報告的實現高斯玻色取樣的實驗,最多使用113個光子,在固定鏡子和透鏡網路中傳播。

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光子處理器“點亮”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)博士聯合美國科學家,在一個可程式設計光子單處理器上開展實驗,使用216個光子進行的壓縮態量子位元的光量子計算機Borealis,利用直接模擬方式進行任務計算。

最終發現,Borealis可以在36微秒內,完成一項需要世界最快的超級計算機(剛被超越)日本Fugaku 9000 多年才能完成的樣本任務,是早期光子機器所報告極限值的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越性光子實驗。相對於其他光子實驗的效能改進,可歸功於簡化了檢測光子實驗、引入可程式設計性和降低對“欺騙”(指量子結果可以被經典演算法重複)的脆弱性。

Xanadu創始人兼執行長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擴大規模的能力。”

不過,丹尼爾卻告訴鈦媒體App,光量子計算機無法形成實用工具,更多是“量子力學計算能力”的展示。而對於光量子計算的應用,依然是懸而未決的問題。“有用的量子處理器最終可能會成為商業產品,但這項研究至少在一段時間內仍然屬於學術‘基礎科學’水平。”

此前有科學家提到,目前只有超導和離子阱滿足量子計算的5個準則,其他研究方向都達不到5個。比如,光量子不滿足量子邏輯閘的要求,單光子之間沒有相互作用使得光子之間不相互干涉,這是光子適用於遠距離量子通訊的原因,但也是其在量子計算中的弱點。實現量子邏輯閘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中必需依賴強光,非常難以實現。

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實驗中樣本的經典模擬時間分佈圖。紅色為Borealis,藍色為九章2.0,星號表示每個實驗中複雜度最高的樣本,凸顯出Borealis的計算優勢(來源:論文)

丹尼爾表示,本研究並沒有“打破”谷歌和IBM在量子計算方面的成就。而且與他們的超導量子位元路線不同,本論文采用光量子技術,與潘建偉和陸朝陽之前的中國“九章”論文進行比較會更公平。“在與‘九章’比較中,Lavoie等人展示的裝置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。”

丹尼爾強調,目前距離實現數百萬量子位元的量子計算機還很遙遠,沒有辦法預測哪種技術路線會首先成功。他預計,在接下來的幾年裡,會有更多技術超越現有的量子計算優越性,實現“量子霸權”。

(本文首發鈦媒體App,作者|林志佳)

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版權宣告:本文源自 網路, 於,由 楠木軒 整理釋出,共 2261 字。

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