首台完全可(kě)編程光量子計(jì)算(suàn)機面世：超過最強超算(suàn)富嶽7.8萬億倍

       科學家(jiā)預估，Borealis 執行(xíng)高(gāo)斯玻色子采樣的速度可(kě)以超過 2021 年世界上(shàng)最快的傳統超級計(jì)算(suàn)機富嶽（Fugaku）的 7.8 萬億倍。

超級計(jì)算(suàn)機通(tōng)常被用于加解決那(nà)些(xiē)經典計(jì)算(suàn)機無法完成的問題，那(nà)如果超算(suàn)的速度還(hái)不夠呢？現在，一種新型的光子量子計(jì)算(suàn)機隻需 36 微秒(miǎo)就可(kě)以完成一項傳統超級計(jì)算(suàn)機 9000 多(duō)年才能完成的任務。

這台光子量子計(jì)算(suàn)機名為(wèi) Borealis，是第一台能夠通(tōng)過雲向公衆提供量子優勢的機器(qì)。

理(lǐ)論上(shàng)講，量子計(jì)算(suàn)機具有(yǒu)量子優勢，能夠找到經典計(jì)算(suàn)機無法解決的問題的答(dá)案。量子計(jì)算(suàn)機的計(jì)算(suàn)能力随量子比特的數(shù)量以指數(shù)方式增長。

無論是谷歌(gē)、IBM 亞馬遜這樣的科技(jì)巨頭還(hái)是 IonQ 等初創公司，都依賴于基于超導電(diàn)路或離子阱的量子比特。這些(xiē)方法有(yǒu)一個(gè)缺點是它們都需要極低(dī)的溫度，因為(wèi)熱量會(huì)破壞量子比特，而控制(zhì)低(dī)溫的系統是非常昂貴的。

相比之下，利用基于光子量子比特的量子計(jì)算(suàn)機原則上(shàng)可(kě)以在室溫下運行(xíng)，并且能夠輕松集成到現有(yǒu)基于光纖的電(diàn)信系統中，有(yǒu)可(kě)能幫助将量子計(jì)算(suàn)機連接到強大(dà)的網絡，甚至連接到量子互聯網。

近年來(lái)，Sycamore、九章等量子計(jì)算(suàn)機陸續問世。其中，中科大(dà)研制(zhì)的九章是基于光子的量子計(jì)算(suàn)原型機，在高(gāo)斯玻色采樣問題上(shàng)，九章二号的處理(lǐ)速度比最快的超級計(jì)算(suàn)機快億億億倍（10 的 24 次方）。

九章二号的主要缺點在于，它依賴于固定反射鏡片和(hé)透鏡。因此它是不可(kě)編程的，這限制(zhì)了它的整體(tǐ)應用。

現在，在一項新研究《可(kě)編程光子處理(lǐ)器(qì)的量子計(jì)算(suàn)優越性》中，位于多(duō)倫多(duō)的量子計(jì)算(suàn)初創公司 Xanadu 推出了全新的設備 Borealis，它可(kě)能是第一台完全可(kě)編程的光子量子計(jì)算(suàn)機。這項研究 6 月 1 日正式發表在 Nature 雜志(zhì)。

「Borealis 是第一台任何擁有(yǒu)互聯網連接的人(rén)能夠公開(kāi)使用的具有(yǒu)量子計(jì)算(suàn)優勢的機器(qì)，」該研究的資深作(zuò)者、Xanadu 系統集成團隊負責人(rén) Jonathan Lavoie 說

在 Borealis 中，量子比特由所謂的「壓縮态」構成，由光脈沖中的多(duō)個(gè)光子的疊加組成。由于量子物理(lǐ)學的超現實性質，傳統的量子比特能夠以一種稱為(wèi)疊加的狀态存在，它們可(kě)以表示數(shù)據的 0 或 1，而壓縮态能夠以 0、1、2、3 或更多(duō)的狀态存在。

Borealis 能夠生(shēng)成多(duō)達 216 個(gè)壓縮光脈沖序列。「重要的是要認識到 Borealis 并不等同于 216 量子比特的傳統設備。由于它使用壓縮态的量子比特，它處理(lǐ)的量子任務與基于超導電(diàn)路量子比特或離子阱的設備不同。」Lavoie 說。

在實驗中，研究者在一項名為(wèi)高(gāo)斯玻色子采樣的任務中測試了 Borealis，用機器(qì)分析了其中的随機數(shù)據 patch。高(gāo)斯玻色子采樣可(kě)能有(yǒu)很(hěn)多(duō)實際應用，例如識别哪些(xiē)分子彼此最适合。

在此前的工作(zuò)中，九章二号在 144 個(gè)壓縮光脈沖中檢測到了多(duō)達 113 個(gè)光子。這項工作(zuò)中，Borealis 在其壓縮光脈沖序列中檢測到了多(duō)達 219 個(gè)光子，而一般水(shuǐ)平是 125 個(gè)。總而言之，科學家(jiā)預估，Borealis 執行(xíng)高(gāo)斯玻色子采樣的速度可(kě)以超過 2021 年世界上(shàng)最快的傳統超級計(jì)算(suàn)機富嶽（Fugaku）的 7.8 萬億倍。

Borealis 的一項關鍵進步是使用了光子數(shù)分辨探測器(qì)。此前的機器(qì)使用的是阈值檢測器(qì)，旨在僅區(qū)分出「未檢測到光子」和(hé)「至少(shǎo)檢測到一個(gè)光子」。Lavoie 表示，光子量子計(jì)算(suàn)機可(kě)以解決的計(jì)算(suàn)問題的規模随着它可(kě)以檢測到光子數(shù)量呈指數(shù)增長，因此光子數(shù)分辨探測器(qì)使得(de) Borealis 的運行(xíng)速度達到此前光子量子計(jì)算(suàn)機的 5000 萬倍以上(shàng)。