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量子计算初创公司Xanadu首次在云端公开了光子量子计算机

IEEE电气电子工程师学会 2020-10-14 14:39 次阅读

基于光子学的量子计算机相对于基于电子的量子计算机具有关键的优势。为了从这些优势中获益,量子计算初创公司Xanadu首次在云端公开了光子量子计算机。

传统的计算机打开或关闭晶体管来将数据符号化为1和0,而量子计算机使用量子比特或“qubits”,由于量子物理的超现实性质,它们可以处于一种称为叠加的状态,在这种状态下,可以同时起到1和0的作用。这本质上允许每个量子比特同时执行两个计算。

如果两个量子比特是量子机械连接的,或者纠缠在一起,它们可以帮助同时执行2^2或4个计算;3个量子比特,2^3或8个计算等等。原则上,一台拥有300个量子位的量子计算机可以在瞬间完成比可见宇宙中原子更多的计算。

许多公司,如IBM、Rigetti、Amazon和Microsoft已经通过云公开了量子计算机。这些都依赖于基于超导电路或俘获离子的量子比特。这些方法的一个缺点是,它们都需要比深空中发现的温度更低的温度,因为热振动会破坏量子比特。在如此寒冷的温度下保存量子比特所需的昂贵、笨重的系统也使得将这些平台扩展到高数量的量子比特成为一个巨大的挑战。

相比之下,依赖基于光子的量子比特的量子计算机原则上可以在室温下运行。它们还可以很容易地集成到现有的基于光纤的电信基础设施中,有可能帮助量子计算机连接成强大的网络,甚至量子互联网。随着所谓的“时间复用(time multiplexing)”架构的加入,光子量子计算原则上可以扩展到数百万个量子比特。

据悉,9月2日,为了帮助组织利用量子计算的功能,加拿大量子技术公司Xanadu宣布发布了世界上第一个公开可用的光子量子云平台,该平台将使开发人员可以在8、12和很快的24量子位机器中使用光子量子处理器进行运算处理。

据Xanadu创始人兼首席执行官Christian Weedbrook称,该公司每六个月可以将其云系统中的量子比特数量翻一番。Weedbrook说,在接下来的几个月里,Xanadu将发布一份光子量子计算的蓝图,它基本上是“如何以容错的方式扩展到数百万个量子比特”的入门。

光子量子计算的经典方法,线性光学量子计算,依赖于基于单个光子的量子比特。这种方法使用反射镜、分束器和移相器来操纵光子。然后使用单光子探测器来帮助读取这些设备所做的工作的结果。Weedbrook说,这种方法的问题是单光子很难实验,通常将这种策略限制在少数光子上。

相比之下,Xanadu的方法被称为连续变量量子计算(continuous variable quantum computing),不使用单光子发生器。相反,该公司依赖于由多个光子叠加而成的所谓“压缩态(squeezed states)”。

压缩态利用了量子物理学的一个关键原则:海森堡不确定度原理(Heisenberg's uncertainty principle),该原理指出,如果不测量粒子的另一个特征(如动量)而不具有较低的确定性,则无法确定地测量粒子的特征,如其位置。压缩态利用这种折衷来“压缩”或减少给定变量测量的不确定度,同时增加研究人员可以忽略的另一个变量测量的不确定度。这种改进的确定性原则上可以帮助Xanadu entangle大量光子。

Image: XanaduXanadu's X8 photonic quantum processing unit, showing the inputs (connected to "squeezed light" sources) and optical gates.

发射到Xanadu微芯片的激光脉冲序列与微谐振器耦合,产生压缩态。光线流到由分束器和移相器组成的网络中,这些分光镜和移相器执行所需的计算。然后,光子从芯片中抽出,进入超导探测器,这些探测器计算光子数,从而得出计算结果。

Weedbrook说:“在Xanadu之前,还没有人致力于完全自动化这样一个复杂的光子系统,这对于编写高级代码的用户来说是必要的,而不仅仅是实验室里的科学家。”

Xanadu指出,其系统的电流限制源于他们使用的超导光子计数器。这些计数器要求超低温温度低于绝对零度以上1度。然而,该公司指出,未来的探测器可能不需要超导性或低温。

Weedbrook说,过去对光子量子计算的批评是它缺乏容错和纠错能力。他说:“这种情况正在开始改变,但人们可能没有意识到这一领域的重要进展。光子学只是在过去几年里才取得了重大进展。”他特别指出,Xanadu的连续变量量子计算策略与早期的光子方法相比,在纠错和容错方面更为复杂的策略兼容。

除了量子云,隶属于IBM quantum computing Q network的Xanadu也在Github上广泛提供各种开源工具。其中包括Strawberry Fields,它的跨平台Python库用于在量子光子硬件上模拟和执行程序,以及PennyLane,它用于量子机器学习、量子计算和量子化学的软件库。

Xanadu的合作伙伴,包括亚马逊的Quantum Solutions Lab,已经在发布前帮助测试了公司的Quantum云。Weedbrook说,在发布后的36小时内,Xanadu Quantum云收到了150个申请者。他指出:“反应非常积极。我们目前优先考虑的是拥有专门量子研究人员的机构,而不是个人贡献者,但这种情况在短期内会发生变化。”

总之,“我们正在为我们的未来愿景打下基础:一个通过量子互联网联网的全球光子量子计算机阵列,”Weedbrook说。

责任编辑:xj

原文标题:世界首台光子量子计算机 已在云平台上使用

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