36微秒就能完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)？這臺(tái)光子量子計(jì)算機(jī)登上 Nature

本文作者：我在思考中

2022-06-13 10:50

導(dǎo)語：挑戰(zhàn)「九章」計(jì)算優(yōu)勢(shì)的光子量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了。

36微秒就能完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)？這臺(tái)光子量子計(jì)算機(jī)登上 Nature

挑戰(zhàn)「九章」計(jì)算優(yōu)勢(shì)的光子量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī) 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(jí)計(jì)算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)？這臺(tái)光子量子計(jì)算機(jī)登上 Nature

他們號(hào)稱 Borealis 只用 36 微秒就可以解決傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要九千年才能解決的問題，計(jì)算速度超過目前享譽(yù)全球的超級(jí)計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)的公司，受到 IBM、微軟、亞馬遜、英偉達(dá)等等國際企業(yè)的關(guān)注。其創(chuàng)始人 Christian Weedbrook 在昆士蘭大學(xué)獲得物理博士學(xué)位，又在 MIT 與多倫多大學(xué)當(dāng)過博士后。

那么，Borealis究竟是何方神圣？與九章相比的優(yōu)勢(shì)是什么呢？

Borealis 是何方神圣？

先談?wù)劻孔佑?jì)算為何優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)在對(duì)晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1 或 0 的符號(hào)，而量子計(jì)算機(jī)是使用「量子比特」，量子比特可以疊加，同時(shí)充當(dāng) 1 和 0，也就是說，單個(gè)量子位可以執(zhí)行兩次計(jì)算。

那么，當(dāng)兩個(gè)量子位在量子力學(xué)上連接、或糾纏時(shí)，它們就可以同時(shí)進(jìn)行 2^2 或四個(gè)計(jì)算；三個(gè)量子位連接或糾纏時(shí)，達(dá)到 2^3 或 8 個(gè)計(jì)算，以此類推……到 300 個(gè)量子位時(shí)，量子計(jì)算機(jī)就可以在頃刻間執(zhí)行比可見宇宙中原子還多的計(jì)算。

這，也就是所謂的「量子優(yōu)勢(shì)」。

在6月初被《Nature》接收的文章中，Xanadu團(tuán)隊(duì)推出了它們研發(fā)的 Borealis。據(jù) IEEE Spectrum 介紹，這臺(tái)新的光子量子計(jì)算機(jī)只需 36 微秒就可以完成一項(xiàng)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要 9000 多年才能完成的任務(wù)。

此外，Borealis也是世界上第一臺(tái)能夠通過云向公眾提供的具有量子優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)。

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

Xanadu的團(tuán)隊(duì)還表示，它們的量子計(jì)算機(jī)基于光子，比 IBM、谷歌、亞馬遜等基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子計(jì)算機(jī)具有明顯的改進(jìn)與優(yōu)勢(shì)：

具體來說，基于超導(dǎo)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?yàn)闊崃繒?huì)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(huì)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(jì)算機(jī)可以在室溫環(huán)境下運(yùn)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(jì)算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)，有望形成強(qiáng)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(zhǔn)問題上，谷歌的53 個(gè)超導(dǎo)量子比特的 Sycamore 處理器可以用200 秒內(nèi)完成超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit 一萬年的時(shí)間，而九章2.0的團(tuán)隊(duì)也稱解決速度是經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度的十倍。

與九章2.0對(duì)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(gè)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(gè)光子的疊加組成。它可以產(chǎn)生多達(dá) 216 個(gè)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(gè)基于環(huán)路的干涉儀發(fā)送，圖源 Xanadu

他們?cè)诟咚共Ｉ硬蓸尤蝿?wù)中測(cè)試了Borealis的表現(xiàn)。在高斯玻色子采樣中，機(jī)器要分析隨機(jī)的數(shù)據(jù)塊。

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

這相當(dāng)于，Borealis 進(jìn)行高斯玻色子采樣的速度是2021年世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī) Fugaku 的 7.8 萬億倍！

Borealis 的一項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)步是使用了光子數(shù)分辨探測(cè)器。

先前的計(jì)算機(jī)使用的是閾值檢測(cè)器，只是區(qū)分「未檢測(cè)到光子」和「至少檢測(cè)到一個(gè)光子」，而光子量子計(jì)算機(jī)可以解決的計(jì)算問題的規(guī)?？梢噪S著它所檢測(cè)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(cè)器的Borealis的運(yùn)行速度是以前的光子量子計(jì)算機(jī)的 5000 萬倍以上。

一句話，真牛！

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