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光子量子计算机再创新高

来源:环球科学
(图片来源:Mehau Kulyk Getty)
在造出能打败经典计算机的量子计算机比赛中,一种运用了光粒子(光子)的方法有了可观的进步。Jian-Wei和Yang Lu,两位在中国科技大学的教授和他们的同事改良了一种叫玻色子抽样的量子计算方法,并得到了探测到14个光子的最终结果。而之前的实验结果都只得到了不超过5个光子。虽然粒子增加的数量并不多,但它总的放大倍数在“状态空间”(电脑的构架种数)中有65亿之多。状态空间越大,经典计算机就越不可能执行同样的计算。
实验结果被发表在一篇预印本服务器arXiv.org的文章中,但还未经过同业互查。不过,该结果一经查证,必将会成为量子计算霸权比赛中的一块里程碑——一个量子计算机超过经典计算机时间上的模糊标准。
豆芽机
在经典计算机中,信息被加密为二进制比特,所以两个比特可能是00、01、10或11。而一台量子计算机可以同时存在于这些状态:两个量子位是00、01、10或11都有一定的可能性,在被测量之前都无法确定;3个量子位有成为八种状态中任意一种的可能,以此类推。这种信息的指数增长证明了量子计算机理论上的优势。
在过去几周中,量子计算霸权的比赛到了白热化的阶段。谷歌的量子计算机执行了一项科学家声称需经典计算机10000年才能完成的运算,而量子计算机仅花了200秒。同样研究量子计算机的IBM却持怀疑态度,他们认为经典计算机解决该问题只需三天。
Pan和Lu在他们的论文中称他们的方法是通向量子霸权的另一条可能路径,“我并不确定——它看起来很难,” 德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家Scott Aaronson说,他并未参与这项研究。“但你懂的,作为玻色子抽样的发明者之一,我也很高兴看到这条路的进步。”
玻色子抽样可以被认为是一种量子版的豆芽机。在该设备中,小球被扔向一排排的筛网,然后被反弹落进底部的槽内。小球的随机运动易引起槽内的正态分布:大多数球落在中间,两旁的球又略少一些,越靠近边缘越少。经典计算机能轻松地模拟随机运动来预测这一结果。
玻色子取样用光子代替小球,用比如镜子和棱镜这样的光学仪器代替筛网。光子被发射过这个阵列最后落在“槽”间,探测器会记录下它们的存在。由于光子的量子特性,一个包含50或60个光子的设备就能产生许多种不同的可能,经典计算机也许需要几十亿年才能算出来。
但玻色子取样能通过直接执行这个任务的方法预测结果。这样,该方法既是计算问题本身又是能解开这个问题的量子计算机。
Aeronson和他当时的学生Alex Arkhipov在2010年提出了玻色子抽样,但它淹没在其他用实体量子位的计算方法中,比如Google和IBM喜欢的几种算法。部分问题在于它有限的用途。“一台通用电脑能解决任何问题,”路易斯安那州立大学的理论物理学家Jonathan Dowling说,他并未参与这项研究。“这种计算机只能解决一种。”但比其他经典计算机更快地计算一种问题也可以被视作是一种量子计算霸权。
一场赛马
不过,做这个实验说的容易做的难。Lu在Twitter上分享了一张其团队实验布置的照片,那是一张被密密麻麻、金光闪闪的繁复金属设备盖满的桌子。真正的困难是时间:该团队需要同时分别制造所需的光子。“光子可不会等彼此,所以你必须同时制造出每一个光子。”英格兰布里斯托大学的一个量子计算机博士生Alexandra Moylett说,她并未参与这项研究。
如果光子到达的时间相差几万亿分之一秒,它们便“无处可寻”。系统中每增加一个光子都会增加光子产生相位差的几率,因为误差会叠加。越多的光子“无迹可寻”,经典计算机就越容易模拟光子的分布,而你离量子霸权也就越远。Lu把该团队探测到的光子数增到14个归功于高精的光子源。“这是魔法的源泉,”Dowling说。“不然,他们根本做不到这一点。”
虽然研究人员在20个输入光子中只探测到14个,这个数字已经足以创造出一个难以计算的状态空间了。为了了解背后的原因,想一想那个叫tic-tac-toe的游戏,它的状态空间是19689或39,因为每个九宫格都有三种可能:一个空格、X或者O。之前最好的玻色子抽样研究的状态空间是15504,而Pan和Lu的实验粗略达到了1000亿。一篇Twitter中,Lu声称在一年内,他的团队会把光子的数量增加到30到50之间。
玻色子抽样是否能够扩大至能实现量子计算霸权的尺度尚不清楚。之前有过许多有争议的说法——有些有着数百万美元的的商业价值。“量子霸权就像赛马一样,你并不知道马有多快,有些马就像山羊一样,”Dowling说。他澄清道,但这个结果并不是山羊。
作者:Daniel Garisto
翻译:费哲妮
审校:潘燕婷
引进来源:科学美国人
引进链接:https://www.scientificamerican.com/article/quantum-computer-made-from-photons-achieves-a-new-record/
本文来自:环球科学
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