日本推出首台多用途光学量子计算机

Takahiro Kashiwazaki et al./NTT

从原理上讲，量子计算机能够解决一些复杂的数学问题，而这些问题在常规的经典计算机上求解则要花费长得多的时间。然而，量子态固有的不稳定性阻碍了使量子计算机实用化和易于扩展规模的努力。

日本的研究人员近期开发出了一种可用于多种应用的光学量子计算机，他们称这一特性使其成为世界上第一台通用光学量子计算机。虽然特制的光学量子计算机已经问世多年，但通用型光学量子计算机一直是该行业的一个目标。

“之前的光学量子计算机是特定用途的设备，比如玻色子采样机和具有大约10个量子比特的小规模量子计算机，”理化学研究所量子计算中心光学量子控制研究团队的负责人Hidehiro Yonezawa说道，“我们的量子计算机是一种具有100个模拟量子输入、可灵活编程的量子计算机。”

该机器采用光子而非超导电子电路，超导电子电路是谷歌、IBM等公司首选的方法。据来自理化学研究所（日本最大的研究机构）、Nippon Telegraph and Telephone Corp.（其最大的电信公司）以及云计算平台Fixstars Amplify的研究人员称，由于该计算机不使用超导体，所以能在接近室温的条件下运行，不需要冷却系统，并且能够轻松扩展规模。

大多数量子计算机用量子比特（qubit）来衡量。经典比特（bit）的值要么是0要么是1，而量子比特可以是其中任何一个值，或者同时为两者的混合态。和经典计算机比特一样，光子可以有两种状态，即水平偏振和垂直偏振，但也可以存在于这两种状态之间的叠加态，即介于水平和垂直之间的状态。

理化学研究所（Riken）的计算机使用一系列数值，如光的不同强度和相位，这些数值代表连续量而非离散状态。这被称为连续变量方法。它没有明确使用量子比特，但它的计算能力仍然可以用等效的量子比特数量来衡量。

“它具有相当于1000个量子比特的计算能力，”理化学研究所光学量子计算研究团队的负责人、东京大学教授Akira Furusawa在宣布该机器时说道。

理化学研究所的这台机器基于Yonezawa在2021年发表于《物理评论应用》的一项研究中所概述的方法。除了阐述连续变量方法外，该论文还讨论了簇态（cluster states），这是一种大量粒子固有的量子组合（https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.034005）。

与量子比特一样，光子可以通过诸如谐振器和移相器等设备产生纠缠——以一种独特的对计算有用的量子方式相连接。目标是创建一种许多量子比特或连续变量相互连接的纠缠态，从而形成所谓的簇态（cluster state）。然后，通过对簇态中的一些粒子进行审慎的测量来完成计算。

理化学研究所计算机所采用的连续变量方法“是独一无二的，因为它能够扩展到如此多的模式。他们能够构建这些其他人无法构建的巨大簇态，而且他们能在室温下完成构建，这对于构建实用且可扩展的系统来说是一个巨大的优势，”伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的量子光学和量子信息实验学家Elizabeth Goldschmidt说道，“世界上只有少数人采用这种方法——这需要高技术含量的实验工作和复杂的理论探讨之间的紧密协作。”

连续变量计算机面临的一个潜在挑战是噪声的累积，也就是说，这些干扰会影响脆弱的量子态。“噪声会随着每个计算步骤累积。虽然我们可以对累积的噪声取平均来消除它，但可能需要多次操作才能做到，”Yonezawa说。好的方面是，重复相同的计算并对结果取平均可能就不需要传统的量子纠错了。

理化学研究所的计算机是一个基于云的系统，远程用户可以访问，并且有计划在今年的某个时候开放使用。“通过让他们的连续变量光子系统可通过云访问，理化学研究所已经完成了一件非常了不起的事情，”Ish Dhand说，他曾是加拿大创业企业Xanadu Quantum Technologies的架构团队负责人，该公司的研究人员在2022年的一项研究中描述了他们如何利用光学量子机器实现量子霸权。新机器背后的团队正在“将实验室中多年来的卓越进展转化为一个用户实际可以访问的实用平台”(https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x)。