科学家用光子芯片“点亮”量子计算，实现“量子霸权”

DT半导体材料 2022-06-18 18:00

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如果把硅光芯片与量子计算结合，会发生怎样一个意想不到的结果？近日，英国顶级期刊《自然》（Nature）杂志发表了一份研究成果：美国国家标准与技术研究院与加拿大量子技术公司Xanadu合作，开发了一种可以执行多算法、可编程、可扩展的光量子计算芯片。而且，研究人员通过Xanadu研发的光量子计算机Borealis，仅需36微秒，即可完成超级计算机需耗时超过9000年才能完成的一项任务，运行速度加快了5000万倍以上。该系统相对过去展示的光子设备有所改进，从而再次显示了“量子计算优越性”（旧称为量子霸权）。

科学家称，这一研究显示光量子计算机Borealis所释放的计算潜力，有望解决下一代电池开发、药物发现、金融和物流等领域一系列棘手问题。

巴西弗鲁米嫩塞联邦大学研究人员丹尼尔·布罗德（Daniel Brod）在接受钛媒体App采访时表示，这一研究解决了技术难题，或许能使他们“在通向可行量子计算机的长期竞赛中领先”，而且这可能对整个量子信息处理任务的向前发展很有用。

此外，丹尼尔还表示，Borealis运行时间结果，在某种意义上，超越了2020年12月，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等人研发的中国“九章”量子计算原型机，而且前者的研究数据更大、更灵活，未来有望取代“九章”。

实际上，随着集成电路技术逐渐接近原子极限，量子计算被认为是后摩尔时代最具潜力的破局者。相比经典电子计算机，量子计算可以提供指数级的算力提升，从而突破目前日益复杂的金融模型计算、生物医药、材料设计和人工智能等领域的算力瓶颈。

量子设备的一个关键目标是超越经典计算机系统，性能优于世界上最快的超级计算机，就可以建立“量子优越性”。而展示量子系统对经典计算机优越性的方法之一，是比较二者从描述光子通过网络传播特点的未知概率分布中取样的速度，称为高斯玻色取样。人们可以计算出经典计算机执行该任务所需时间。但光子数量有一个阈值，在此之上，经典计算机无法在合理时间内完成计算。

目前量子计算包括超导量子、离子阱、硅基半导体、光量子和拓扑等路线。其中，光量子路线的量子优势纪录由中国“九章”获得。而过去报告的实现高斯玻色取样的实验，最多使用113个光子，在固定镜子和透镜网络中传播。

光子处理器“点亮”量子计算（来源：论文）

但此次，Xanadu公司研究人员乔纳森·拉沃伊（Jonathan Lavoie）博士联合美国科学家，在一个可编程光子单处理器上开展实验，使用216个光子进行的压缩态量子比特的光量子计算机Borealis，利用直接模拟方式进行任务计算。

最终发现，Borealis可以在36微秒内，完成一项需要世界最快的超级计算机（刚被超越）日本Fugaku 9000 多年才能完成的样本任务，是早期光子机器所报告极限值的5000万倍以上。

研究人员还提到，这是目前报告的最大的量子优越性光子实验。相对于其他光子实验的性能改进，可归功于简化了检测光子实验、引入可编程性和降低对“欺骗”（指量子结果可以被经典算法重复）的脆弱性。

Xanadu创始人兼首席执行官Christian Weedbrook表示，“这是量子计算的另一个重要里程碑。它展示了我们拥有非凡人才以及光子量子计算机扩大规模的能力。”

不过，丹尼尔却告诉钛媒体App，光量子计算机无法形成实用工具，更多是“量子力学计算能力”的展示。而对于光量子计算的应用，依然是悬而未决的问题。“有用的量子处理器最终可能会成为商业产品，但这项研究至少在一段时间内仍然属于学术‘基础科学’水平。”

此前有科学家提到，目前只有超导和离子阱满足量子计算的5个准则，其他研究方向都达不到5个。比如，光量子不满足量子逻辑门的要求，单光子之间没有相互作用使得光子之间不相互干涉，这是光子适用于远距离量子通信的原因，但也是其在量子计算中的弱点。实现量子逻辑门必需依靠两个量子之间非线性的相互作用，而非线性作用在光学中必需依赖强光，非常难以实现。

实验中样本的经典模拟时间分布图。红色为Borealis，蓝色为九章2.0，星号表示每个实验中复杂度最高的样本，凸显出Borealis的计算优势（来源：论文）

丹尼尔表示，本研究并没有“打破”谷歌和IBM在量子计算方面的成就。而且与他们的超导量子比特路线不同，本论文采用光量子技术，与潘建伟和陆朝阳之前的中国“九章”论文进行比较会更公平。“在与‘九章’比较中，Lavoie等人展示的设备在某种意义上肯定更大、更灵活，但我可以想象它在未来会被（Borealis）取代。”

丹尼尔强调，目前距离实现数百万量子比特的量子计算机还很遥远，没有办法预测哪种技术路线会首先成功。他预计，在接下来的几年里，会有更多技术超越现有的量子计算优越性，实现“量子霸权”。

来源：钛媒体，作者林志佳

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