新量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)36微秒到9000年的跨越

文|陳根

隨著集成電路逐漸接近原子極限，量子計(jì)算被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代最具潛力的破局者。相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算可提供指數(shù)級(jí)的算力提升，從而突破目前日益復(fù)雜的生物醫(yī)藥、材料設(shè)計(jì)和金融模型等領(lǐng)域的算力瓶頸。當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，也是各發(fā)達(dá)國(guó)家角逐的焦點(diǎn)。

目前量子計(jì)算主要包括超導(dǎo)量子、硅基半導(dǎo)體、光量子和拓?fù)涞嚷肪€。其中，光量子路線的量子優(yōu)勢(shì)紀(jì)錄由中國(guó)“九章”獲得。76個(gè)光子100個(gè)模式的“九章”，處理高斯玻色取樣的速度比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍。也就是說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年完成的任務(wù)，“九章”只需一分鐘。

近日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院與加拿大量子技術(shù)公司Xanadu合作，開(kāi)發(fā)了一種光子處理器，且僅需36微秒即可完成超級(jí)計(jì)算機(jī)需耗時(shí)超過(guò)9000年才能完成的任務(wù)。該系統(tǒng)能在所有實(shí)現(xiàn)的門(mén)上提供動(dòng)態(tài)可編程性，運(yùn)行速度加快了5000萬(wàn)倍以上，可能再次代表了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

量子優(yōu)越性像個(gè)門(mén)檻，當(dāng)新生的量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上的計(jì)算能力超過(guò)了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明其未來(lái)有更多超越的可能。高斯玻色取樣是展示量子計(jì)算優(yōu)越性的特定性任務(wù)之一，一直被科學(xué)家寄予厚望。

由于量子力學(xué)賦予了光子很多特殊性質(zhì)，使得光子的不同路徑之間不但可以相互疊加，也可以相互抵消。此時(shí)，玻色取樣裝置就有了用武之地，它能夠在較高的精度上解決特定的數(shù)學(xué)問(wèn)題，同時(shí)又應(yīng)用了光子的量子力學(xué)特性。

在過(guò)去實(shí)現(xiàn)的高斯玻色取樣實(shí)驗(yàn)中，最多使用113個(gè)光子在固定鏡子和透鏡網(wǎng)絡(luò)中傳播。但該研究簡(jiǎn)化了檢測(cè)光子實(shí)驗(yàn)、引入可編程性和降低量子結(jié)果被經(jīng)典算法重復(fù)的脆弱性，使得在一個(gè)可編程光子單處理器上，檢測(cè)多達(dá)219個(gè)光子（平均125個(gè)）。這是目前報(bào)告的最大的量子優(yōu)越性光子實(shí)驗(yàn)。

未來(lái)，該研究或成為通往量子計(jì)算機(jī)道路上的一個(gè)重要里程碑。