Xanadu实现量子计算优越性

来源:NewScientist发布时间:2022-06-01

  加拿大量子计算公司Xanadu的Madsen等人构建了一台名为Borealis的光量子计算机,可以通过测量多达216个纠缠光子的行为来进行计算,在36微秒内完成的高斯玻色取样任务,最好的超级计算机至少需要9000年才能完成。该公司还将Borealis连接到互联网上,允许其他人对其进行使用。相关研究成果于6月1日发表在《自然》杂志上。

  量子计算机领域的一个近期目标,是实现“量子计算优越性”,即证明量子计算机在特定问题上可以击败经典计算机。此次,加拿大的Xanadu量子科技公司的Madsen等人构建的Borealis是继“九章”、“九章二号”之后,第三个在高斯玻色采样中展示“量子计算优越性”的设备。Borealis是一种光子处理器,可提供动态可编程性。研究人员通过时间复用和光子数解析结构,对216个三维连接性纠缠的压缩模进行高斯玻色子采样(GBS),记录了多达219个光子和125个平均光子数的事件。研究人员称三维簇态足以用于基于测量的容错量子计算,虽然本次工作中合成的态本身不是团簇态,但是通过在环路处选择合适的相位和分束比,器件可以很容易地编程产生团簇态。

  “九章”在构造中使用了更多的分束器,将纠缠光子向许多不同的方向发送。Madsen及其同事的编码根据光子是否以某个时间间隔的某个离散倍数通过特定位置来标记光子的状态。使用光纤环路,可以合并延迟,允许不同时间段中的光子在特定位置进行干涉。这意味着大型分束器网络可以由单个分束器代替,该分束器耦合到光纤环路,该环路必须足够长以适应所有所需的延迟。在实验中,Madsen和同事的设置包含三个由光纤环连接的分束器。

  其次,以前的实验通常依赖于静态网络,其中每个组件一经制造就固定。Borealis则可以很容易地重新配置。这种剥离式设计使计算机更容易控制,因此它可以远程重新编程。团队成员认为这是世界上第一个连接互联网可供人们公开使用的具有量子计算优势的设备。

  最后,一个主要问题是如何证明输出数据是正确的。与其他容易检查答案的任务(如质因子分解)相比,量子优势演示的复杂性似乎常常妨碍验证操作是否大致正确。为了避免这种情况,可以使用统计测试排除,但它们不能完全确定输出。这就引入了一个被称为欺骗的问题,在这个问题中,经典算法也可以很好地模拟量子输出,从而通过这些统计测试。Madsen等人对Borealis的输出进行了一组全面的测试,结果表明它不能被欺骗。这提供了一些证据表明该实验对欺骗具有鲁棒性,但这可能不是故事的结局——一种这样的算法是在Borealis欺骗实验发表后开发的,并且是为该任务量身定制的。毫无疑问,更好地模仿Borealis输出的算法也会出现,这反过来将导致更复杂的统计测试将它们排除。

  相比“九章”,在以下一些主要方面,Borealis对实验方案进行了简化和改进。例如,Borealis采用了时间编码的高斯玻色采样方案,可以通过光子到达探测器的时间来对光子进行分辨和计数。为此,他们解决了时域多路复用、快速电光开关、高速光子数分辨探测和非经典光产生等实验技术障碍。Borealis还具有可调性更好的光学结构,这使得它有了更多的编程能力,实现了部分编程性(2.7%,“九章二号”可编程性为0.9%)。另外,在实验结果正确性确认的方式上,也有一些新方法。但在线路效率、干涉仪深度、矩阵随机性、高阶关联等方面,“九章”表现更优异。

  继美国在超导体系中率先实现“量子计算优越性”、中国后来居上于光学和超导两种物理体系中实现这一里程碑之后,光量子计算机Borealis使加拿大成为达到这一成就的第三个国家,跻身全球量子竞赛的领先队列。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x

  报道链接:https://www.newscientist.com/article/2322807-advanced-quantum-computer-made-available-to-the-public-for-first-time/

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01402-x

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