基于光子的计算机存档的量子霸权

中国的一组研究人员声称已经对“量子优势”做出了第一个结论性的证明——使用量子力学来执行在经典计算机上速度太慢的计算。

中科大课题组与上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）和中科院国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了一个量子计算机样机，其中多达76个观察到光子离开 100 个通道的网络。

去年，谷歌宣布它已经达到“量子霸权”，这引起了轰动，该术语表示量子计算机执行传统超级计算机几乎不可能解决的计算的能力，除非采取不成比例的数量时间。在这个具体案例中，谷歌的量子计算机基于 Sycamore 53 量子位处理器，其算法运行在一个 54 量子位的量子芯片上，每个芯片都由超导回路组成。

中国团队使用激光束进行了一项计算，该计算在普通计算机上被证明在数学上是不可能的，在短短几分钟内就解决了。这项任务将花费世界上第四强大的超级计算机超过 20 亿年。在这些情况下，我们谈论的是实验室测试，目前没有任何适用于现实的东西。

在实验层面上，虽然谷歌团队使用冷却到接近零温度的超导体，但中国团队在其双威太湖之光上使用了光子。为了确定结果的成就，中国团队使用统计测试来定义光子在由镜子引导的光路上行进的路径。在该过程结束时读取的每个光子都相当于一个揭示计算结果的量子比特。

与中国最强大的计算机相比，该团队编写了一个代码来模拟行为并量化解决时间。他们执行的计算与玻色子采样问题有关。这个问题是由两位计算机科学家 Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov 于 2011 年设计的。它涉及计算许多量子波相互干扰的玻色子的概率分布，因此粒子的位置基本上是随机的。在给定位置检测到玻色子的概率可以从许多未知数的方程中计算出来。

研究人员计算出，这台超级计算机将花费超过 20 亿年的时间来完成九张在 3 分钟内完成的工作。

图 1：生成压缩状态的实验装置示意图（来源：“Quantum Computing advantage using photons”）

像量子比特这样的光子

在量子计算机中，比特，即普通灯具的基本信息单元，被所谓的“量子比特”，即量子比特所取代，由于编码信息的可能性更大，量子比特能够处理极其复杂的问题。普通计算机无法解决的问题。

中国团队已经展示了如何使用光子（光的基本单位）来增强量子计算，远远超出经典对应物。他们在室温下完成了这项任务。与谷歌不同，所使用的光学系统不容易重新编程。光子量子计算机的优点是不需要冷却。

从激光脉冲开始，研究人员将信息编码为特定光子状态的空间位置和偏振。这些状态相互干扰并产生代表输出的光子分布。使用的光路是干涉仪。该团队使用能够记录单个光子的光电探测器来测量这种分布，事实上，这种分布编码了难以以经典方式执行的计算。

量子计算机的计算能力不是基于微芯片和电路，而是基于量子计算，量子计算基于量子力学原理，特别是量子纠缠，即亚原子粒子在一定距离内影响不同亚原子粒子的能力。这种影响几乎是瞬时的，量子计算机的计算速度可能是相同的。

量子计算仍处于萌芽阶段，但所有这些霸权测试都促进了研究，使模拟大型系统成为可能，最重要的是，指导物理学的进步。中国研究人员正在与谷歌和IBM等其他公司展开竞争，越来越多地加速了量子计算机的竞争。

审核编辑：彭静