光基量子计算机超过最快的经典超级计算机

由光子（光粒子）制成的量子计算机第一次超越了最快的经典超级计算机。

中国科学技术大学（USTC）的卢朝阳和潘建伟领导的物理学家用他们的量子计算机Jiŭzhāng执行了一种称为高斯玻色子采样的技术。结果发表在《科学》杂志上，结果是76个被检测到的光子，远远超过了以前记录的五个被检测到的光子和经典超级计算机的功能。

与用硅处理器制造的传统计算机不同，Jiŭzhāngis是精心制作的由激光，镜子，棱镜和光子探测器制成的桌面装置。它不是一台通用的计算机，有一天可以发送电子邮件或存储文件，但是它确实证明了量子计算的潜力。

去年，当量子计算机Sycamore花费大约三分钟的时间来完成一台超级计算机需要三天（或一万年，具体取决于您的估算方法）时，Google成为头条新闻。 USTC团队在其论文中估计，要执行与Jizhzhang相同的计算，将需要世界第三大超级计算机Sunway TaihuLight，这一过程惊人地达到了25亿年。

这仅仅是量子优先性的第二次演示，该术语描述了量子计算机以指数方式超过任何经典计算机的点，有效地完成了原本在计算上不可能的工作。这不仅仅是原理的证明；还有一些暗示高斯玻色子采样可能具有实际应用，例如解决量子化学和数学中的特殊问题。更广泛地说，将光子控制为量子位的能力是任何大规模量子互联网的先决条件。 （量子位是一个量子位，类似于经典计算中用来表示信息的位。）

德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家Scott Aaronson说：“这种情况不会发生。”他与当时的学生Alex Arkhipov一起在2011年首次概述了玻色子采样的基础知识。玻色子采样实验根据亚伦森的说法，许多年来，它们被困在大约三到五个被检测到的光子上，这与量子优先性“相距甚远”。他说：“扩大规模非常困难。” “向他们致敬。”

在过去的几年中，量子计算已经从一家默默无闻的企业发展成为一家数十亿美元的企业，其对国家安全，全球经济以及物理和计算机科学基础的潜在影响而得到认可。 2019年，《美国国家量子计划法案》签署成为法律，在未来10年内在量子技术上投资超过12亿美元。该领域也获得了相当大的炒作，时间表不切实际，有关量子计算机的夸张说法使量子计算机完全过时。

中国科学技术大学小组最新一次展示量子计算潜力的方法至关重要，因为它与Google的方法截然不同。美国梧桐使用金属的超导环形成量子位。在吉ŭ，光子本身就是量子位。卢说，即使在完全不同的硬件上，量子计算原理也可以导致优先权的独立证实“使我们相信，从长远来看，最终，有用的量子模拟器和容错量子计算机将变得可行。”

为什么量子计算机具有巨大的潜力？考虑一下著名的双缝实验，在该实验中，将光子发射到具有两个狭缝A和B的栅栏上。光子不穿过A或不穿过B。相反，双缝实验表明光子存在于从理论上讲，利用量子特性（如叠加）可以使量子计算机在应用于某些特定问题时，能比经典计算机实现指数级加速。

2000年代初期的物理学家对利用光子的量子特性制造量子计算机感兴趣，部分原因是光子在室温下可以充当量子位，因此无需将系统冷却至几开尔文的昂贵任务（大约–455华氏度）。但是很快变得很明显，建立通用的光子量子计算机是不可行的。为了建造一台工作的量子计算机，将需要数百万个激光器和其他光学设备。结果，光子的量子优先性似乎遥不可及。

然后，在2011年，Aaronson和Arkhipov引入了玻色子采样的概念，展示了如何使用仅由少数激光器，反射镜，棱镜和光子探测器制成的有限量子计算机来完成。突然之间，光子量子计算机就有了一条表明它们可能比传统计算机更快的路径。

玻色子采样的设置类似于称为豆子机的玩具，它只是一个钉有钉子的木板，上面覆盖着一块透明玻璃。球从顶部掉入一排钉子中。在下降的过程中，它们从桩钉上弹起并彼此反弹，直到它们落入底部的槽中。在经典计算机上，模拟球在插槽中的分布相对容易。

玻色子采样使用光子代替玻色球，并用反射镜和棱镜代替了钉子。激光发出的光子从反射镜反射并通过棱镜反射，直到它们落入要检测的“缝隙”中。与经典球不同，光子的量子性质导致可能的分布数量呈指数增长。

玻色子采样解决的问题本质上是“光子的分布是什么？”玻色子采样是一种量子计算机，可以通过光子的分布来解决自身问题。同时，经典计算机必须通过计算矩阵的“永久”来计算光子的分布。对于两个光子的输入，这只是使用二乘二阵列的简短计算。但是，随着光子输入和检测器数量的增加，阵列的尺寸也随之增加，从而成倍地增加了问题的计算难度。

去年，USTC小组演示了用14个检测到的光子进行玻色子采样的方法，这对笔记本电脑来说很难计算，但对超级计算机却很容易。为了扩展到量子优先性，他们使用了略有不同的协议，即高斯玻色子采样。

根据德国帕德博恩大学量子光学专家，高斯玻色子采样的共同开发者之一克里斯汀·西尔伯霍恩（Christine Silberhorn）的说法，该技术旨在避免Aaronson和Arkhipov的“香草”玻色子采样中使用的不可靠的单光子。

她说：“我真的想使其实用化，这是一种针对您可以通过实验完成的方案。”

即使如此，她也承认，USTC的设置非常复杂。 Jiŭzhang从分裂的激光开始，因此撞击了由钛氧基磷酸钾制成的25个晶体。击中每个晶体后，它会可靠地沿相反方向喷出两个光子。然后，光子通过100个输入发送，并在其中通过300个棱镜和75个反射镜组成的轨道运行。最终，光子降落在100个插槽中，并在此处检测到它们。 USTC小组平均运行200秒以上，每次运行检测到约43个光子。但是，在一次运行中，他们观察到了76个光子，足以证明他们的量子首要地位。

很难估计一台超级计算机需要多少时间来解决具有76个检测到的光子的分布-很大程度上是因为花25亿年时间运行一台超级计算机来直接检查它并不是完全可行的。取而代之的是，研究人员从经典计算所需的时间开始进行推断，以计算出较少数量的检测到的光子。研究人员声称，最多只能解决50个光子，这将需要一台超级计算机两天，这比Jizhang的200秒运行时间要慢得多。

玻色子采样方案多年来一直难以满足光子数量的限制，因为它们难以扩展。为了保持敏感的量子排列，光子必须保持不可区分。想象一下一场赛马，其中所有的马都必须在同一时间从起跑门被释放，并在同一时间结束。不幸的是，光子比马更不可靠。

当吉ŭ镇的光子经过22米的路径时，它们的位置相差不超过25纳米。卢说，这相当于100匹马跑100公里并越过终点线，两头之间的距离不超过一头毛。

USTC量子计算机的名字叫Jiŭzhāng，来自JiŭzhāngSuànshù，或“数学艺术的九章”，这是一种古老的中文文本，其影响可与Euclid的Elements相提并论。

量子计算也有很多曲折。卢说，超越传统计算机并不是一笔一劳永逸的交易，而是一场持续的竞争，以了解古典算法和计算机是否能赶上潮流，或者量子计算机是否将保持他们所占据的主导地位。

事情不太可能是静态的。十月底，加拿大量子计算初创公司Xanadu的研究人员发现了一种算法，该算法可将某些玻色子采样实验的经典模拟时间减少两倍。换句话说，如果以前有50个检测到的光子足以满足量子优先性要求，那么现在您将需要100个。

对于像Aaronson这样的理论计算机科学家来说，结果令人激动，因为它有助于为扩展的Church-Turing论点提供进一步的证据，该论点认为任何物理系统都可以在经典计算机上有效地进行仿真。

“在最广泛的层面上，如果我们将宇宙视为一台计算机，那么它是什么样的计算机？”亚伦森说。 “这是经典计算机吗？还是量子计算机？”

到目前为止，就像我们试图制造的计算机一样，宇宙似乎是固执的。