獨辟蹊徑的中國式量子霸權--玻色子采樣光量子計算機創下新紀錄！爭奪量子計算霸主地位的重要里程碑
2019-11-14 13:01:06 EETOP
Credit: Mehau Kulyk Getty Images
以下為來自外媒 scientificamerican 的報道：
在爭創可超越傳統計算機的量子計算機的競賽中，一種使用光粒子（光子）的方法邁出了可喜的一步。中國科學技術大學的潘建偉和陸朝陽及其同事改進了一種稱為玻色子采樣的量子計算技術，在其最終結果中實現了創紀錄的14個檢測到的光子，先前的實驗只能探測到5個光子。。雖然只增加了9個粒子數量，但是在“狀態空間”或計算機系統的配置方式方面，它的增加達到了65億倍。狀態空間越大，經典計算機執行相同計算的可能性就越小。
在經典計算機中，信息以二進制位編碼，因此兩個位可以是00、01、10或11。一臺量子計算機可以同時處于每個經典狀態：兩個qubit的概率為00、01、10 和 11，直到他們被測量; 三個量子位有可能處于八個狀態中的任何一個；等等。信息的呈指數增長說明了理論上量子計算機為何具有如此優勢的原因。
在過去的幾周中，量子計算至上的競賽達到了驚人的速度。Google的量子計算機執行了一項操作，科學家聲稱該操作將在200秒內將一臺經典計算機花費10,000年。還在研究量子計算機的IBM研究人員對此表示懷疑，認為經典計算機可以在三天內解決該問題。
潘和陸在他們的論文中指出，他們的技術是通往量子至上的另一種可能途徑。“我不確定，看起來很難。”不參與這項研究的德克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家Scott Aaronson說。“但是，作為玻色子采樣的共同發明者，我很高興看到在這方面也取得了進展。”
玻色子采樣可以看作是稱為bean機器的經典設備的量子版本。在該裝置中，球被掉落到成排的釘子上，然后從這些釘子彈起，落在底部的插槽中。球的隨機運動通常會導致槽中呈正態分布：大多數球落在中心附近，較少落到側面，在邊緣逐漸變細。經典計算機可以輕松模擬隨機運動來預測此結果。
玻色子采樣用光子代替小球，用光學設備（例如反光鏡和棱鏡）代替球釘。光子穿過陣列發射，并降落到最后的“插槽”中，探測器在此處記錄其存在。由于光子的量子特性，只有50或60個光子的設備可能會產生許多不同的分布，以至于經典計算機要花費數十億年的時間對其進行預測。
但是玻色子采樣可以通過執行任務本身來預測結果。這樣，該技術既是計算問題，又是可以解決該問題的量子計算機。
Aaronson和他當時的學生Alex Arkhipov在2010年提出了玻色子采樣法，但它落后于其他使用物理量子位的量子計算方法，例如Google和IBM所偏愛的技術。麻煩的部分是其有限的實用性。路易斯安那州立大學的理論物理學家Jonathan Dowling說：“通用計算機可以解決任何不同類型的問題。” “這只能解決一個問題。”但是，僅比經典計算機更快地解決一個問題就可以看作是量子計算至上的證明。
量子至上就像是一場賽馬
不過，進行實驗說起來容易做起來難。陸在Twitter上分享了他的團隊實驗裝置的照片，桌面上覆蓋著錯綜復雜的密密麻麻，閃閃發光的金屬裝置。真正的困難在于時間一致：團隊需要分別并同時產生單個光子。“光子不會互相等待，因此您需要同時生成每個光子，”英國布里斯托大學的量子計算專業博士生AlexandraMoylett說道。（注：他也沒有參與這項工作）
如果光子相隔幾千億分之一秒到達，它們就會“丟失”。系統中的每個光子都會增加出現光子不同步的機會，因為誤差會累加。損失的光子越多，經典計算機就越容易模擬光子的分布，而您從量子計算至上性中獲得的收益就越多。陸將團隊增加到14個檢測到的光子歸功于極其精確的光子源。“這看起來很神奇” Dowling說。“否則，他們將無法做到這一點。”
盡管研究人員僅在20個輸入光子中檢測到14個，但是這個數目足以產生難以計算的狀態空間。要了解這是為什么，請考慮一個簡單的井字棋游戲，其中狀態空間為39=19,683，因為九個正方形中的每個都有三種可能性：空白，X或O。抽樣研究的狀態空間為15,504，而潘和陸的實驗狀態空間大約為100萬億。陸在Twitter帖子中聲稱，他的團隊將在一年內將光子數量增加到30至50個。
關鍵詞： 量子計算機
