基于光子的計算機存檔的量子霸權

中國的一組研究人員聲稱已經對“量子優(yōu)勢”做出了第一個結論性的證明——使用量子力學來執(zhí)行在經典計算機上速度太慢的計算。

中科大課題組與上海微系統(tǒng)與信息技術研究所（SIMIT）和中科院國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了一個量子計算機樣機，其中多達76個觀察到光子離開 100 個通道的網絡。

去年，谷歌宣布它已經達到“量子霸權”，這引起了轟動，該術語表示量子計算機執(zhí)行傳統(tǒng)超級計算機幾乎不可能解決的計算的能力，除非采取不成比例的數量時間。在這個具體案例中，谷歌的量子計算機基于 Sycamore 53 量子位處理器，其算法運行在一個 54 量子位的量子芯片上，每個芯片都由超導回路組成。

中國團隊使用激光束進行了一項計算，該計算在普通計算機上被證明在數學上是不可能的，在短短幾分鐘內就解決了。這項任務將花費世界上第四強大的超級計算機超過 20 億年。在這些情況下，我們談論的是實驗室測試，目前沒有任何適用于現(xiàn)實的東西。

在實驗層面上，雖然谷歌團隊使用冷卻到接近零溫度的超導體，但中國團隊在其雙威太湖之光上使用了光子。為了確定結果的成就，中國團隊使用統(tǒng)計測試來定義光子在由鏡子引導的光路上行進的路徑。在該過程結束時讀取的每個光子都相當于一個揭示計算結果的量子比特。

與中國最強大的計算機相比，該團隊編寫了一個代碼來模擬行為并量化解決時間。他們執(zhí)行的計算與玻色子采樣問題有關。這個問題是由兩位計算機科學家 Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov 于 2011 年設計的。它涉及計算許多量子波相互干擾的玻色子的概率分布，因此粒子的位置基本上是隨機的。在給定位置檢測到玻色子的概率可以從許多未知數的方程中計算出來。

研究人員計算出，這臺超級計算機將花費超過 20 億年的時間來完成九張在 3 分鐘內完成的工作。

圖 1：生成壓縮狀態(tài)的實驗裝置示意圖（來源：“Quantum Computing advantage using photons”）

像量子比特這樣的光子

在量子計算機中，比特，即普通燈具的基本信息單元，被所謂的“量子比特”，即量子比特所取代，由于編碼信息的可能性更大，量子比特能夠處理極其復雜的問題。普通計算機無法解決的問題。

中國團隊已經展示了如何使用光子（光的基本單位）來增強量子計算，遠遠超出經典對應物。他們在室溫下完成了這項任務。與谷歌不同，所使用的光學系統(tǒng)不容易重新編程。光子量子計算機的優(yōu)點是不需要冷卻。

從激光脈沖開始，研究人員將信息編碼為特定光子狀態(tài)的空間位置和偏振。這些狀態(tài)相互干擾并產生代表輸出的光子分布。使用的光路是干涉儀。該團隊使用能夠記錄單個光子的光電探測器來測量這種分布，事實上，這種分布編碼了難以以經典方式執(zhí)行的計算。

量子計算機的計算能力不是基于微芯片和電路，而是基于量子計算，量子計算基于量子力學原理，特別是量子糾纏，即亞原子粒子在一定距離內影響不同亞原子粒子的能力。這種影響幾乎是瞬時的，量子計算機的計算速度可能是相同的。

量子計算仍處于萌芽階段，但所有這些霸權測試都促進了研究，使模擬大型系統(tǒng)成為可能，最重要的是，指導物理學的進步。中國研究人員正在與谷歌和IBM等其他公司展開競爭，越來越多地加速了量子計算機的競爭。