36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計算機9000年才能完成的任務(wù)？這臺光子量子計算機登上 Nature

本文作者：我在思考中

2022-06-13 10:50

導語：挑戰(zhàn)「九章」計算優(yōu)勢的光子量子計算機出現(xiàn)了。

36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計算機9000年才能完成的任務(wù)？這臺光子量子計算機登上 Nature

挑戰(zhàn)「九章」計算優(yōu)勢的光子量子計算機出現(xiàn)了。

作者 | 西西

編輯 | 陳彩嫻

近日，加拿大多倫多一家初創(chuàng)公司所開發(fā)的光子量子計算機 Borealis 登上 Nature，引起了全球科技圈的廣泛關(guān)注。

36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計算機9000年才能完成的任務(wù)？這臺光子量子計算機登上 Nature

他們號稱 Borealis 只用 36 微秒就可以解決傳統(tǒng)超級計算機需要九千年才能解決的問題，計算速度超過目前享譽全球的超級計算機，更是挑戰(zhàn)了中國的九章 2.0！

這家公司就是成立于 2016 年的 Xanadu。

它們是全球少數(shù)目前正在全力研發(fā)光子量子計算機的公司，受到 IBM、微軟、亞馬遜、英偉達等等國際企業(yè)的關(guān)注。其創(chuàng)始人 Christian Weedbrook 在昆士蘭大學獲得物理博士學位，又在 MIT 與多倫多大學當過博士后。

那么，Borealis究竟是何方神圣？與九章相比的優(yōu)勢是什么呢？

Borealis 是何方神圣？

先談?wù)劻孔佑嬎銥楹蝺?yōu)于傳統(tǒng)計算機。

經(jīng)典計算機在對晶體管進行開關(guān)操作時會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1 或 0 的符號，而量子計算機是使用「量子比特」，量子比特可以疊加，同時充當 1 和 0，也就是說，單個量子位可以執(zhí)行兩次計算。

那么，當兩個量子位在量子力學上連接、或糾纏時，它們就可以同時進行 2^2 或四個計算；三個量子位連接或糾纏時，達到 2^3 或 8 個計算，以此類推……到 300 個量子位時，量子計算機就可以在頃刻間執(zhí)行比可見宇宙中原子還多的計算。

這，也就是所謂的「量子優(yōu)勢」。

在6月初被《Nature》接收的文章中，Xanadu團隊推出了它們研發(fā)的 Borealis。據(jù) IEEE Spectrum 介紹，這臺新的光子量子計算機只需 36 微秒就可以完成一項傳統(tǒng)超級計算機需要 9000 多年才能完成的任務(wù)。

此外，Borealis也是世界上第一臺能夠通過云向公眾提供的具有量子優(yōu)勢的計算機。

圖注：由 Borealis 合成的三維糾纏態(tài)的圖形表示圖，其中每個頂點代表一個壓縮狀態(tài)的量子位，每個邊代表頂點之間的連接（也稱為糾纏）。圖源 Xanadu

Xanadu的團隊還表示，它們的量子計算機基于光子，比 IBM、谷歌、亞馬遜等基于超導電路或捕獲離子的量子計算機具有明顯的改進與優(yōu)勢：

具體來說，基于超導電路或捕獲離子的量子比特需要比外太空還要冷的溫度，因為熱量會破壞量子比特。要在如此寒冷的溫度下保持量子比特，需要昂貴、笨重的低溫系統(tǒng)，而采用了這樣的系統(tǒng)，也會限制量子比特的尺寸大小往更迷你、更便捷的方向發(fā)展。

相比之下，基于光子的量子比特的量子計算機可以在室溫環(huán)境下運行，可以集成到現(xiàn)有的基于光纖的電信系統(tǒng)中，幫助量子計算機連接到網(wǎng)絡(luò)，有望形成強大的量子互聯(lián)網(wǎng)！

谷歌在2019年推出的 Sycamore 處理器與2021年中國九章2.0也是基于光子。在解決基準問題上，谷歌的53 個超導量子比特的 Sycamore 處理器可以用200 秒內(nèi)完成超級計算機 Summit 一萬年的時間，而九章2.0的團隊也稱解決速度是經(jīng)典超級計算機的速度的十倍。

與九章2.0對比，孰勝孰優(yōu)？

IEEE Spectrum指出，雖然同是基于光子，但 Borealis 在一定程度上優(yōu)于九章。

比如，九章2.0的一個主要缺陷是依賴于固定的鏡子與鏡頭網(wǎng)絡(luò)，所以不可編程。而據(jù) Xanadu 介紹，Borealis 是可以編程的。

在 Borealis 中，量子位由所謂的「壓縮狀態(tài)」組成，而壓縮狀態(tài)由光脈沖中多個光子的疊加組成。它可以產(chǎn)生多達 216 個壓縮光脈沖序列。

圖注：在 Borealis 中，壓縮態(tài)量子比特（粉紅色脈沖）由非線性晶體產(chǎn)生并通過一系列三個基于環(huán)路的干涉儀發(fā)送，圖源 Xanadu

他們在高斯玻色子采樣任務(wù)中測試了Borealis的表現(xiàn)。在高斯玻色子采樣中，機器要分析隨機的數(shù)據(jù)塊。

據(jù)了解，九章2.0在 144 個壓縮光脈沖中檢測到的光子是最多 113 個，而 Borealis 檢測到的是最多 219 個，平均數(shù)為 125 個。

這相當于，Borealis 進行高斯玻色子采樣的速度是2021年世界上最快的超級計算機 Fugaku 的 7.8 萬億倍！

Borealis 的一項關(guān)鍵進步是使用了光子數(shù)分辨探測器。

先前的計算機使用的是閾值檢測器，只是區(qū)分「未檢測到光子」和「至少檢測到一個光子」，而光子量子計算機可以解決的計算問題的規(guī)?？梢噪S著它所檢測到的光子數(shù)量呈指數(shù)增長。因此，使用了光子數(shù)分辨探測器的Borealis的運行速度是以前的光子量子計算機的 5000 萬倍以上。

一句話，真牛！

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