超級計(jì)算機(jī)通常被用于加解決那些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的問題，那如果超算的速度還不夠呢？現(xiàn)在，一種新型的光子量子計(jì)算機(jī)只需 36 微秒就可以完成一項(xiàng)傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī) 9000 多年才能完成的任務(wù)。

這臺光子量子計(jì)算機(jī)名為 Borealis，是第一臺能夠通過云向公眾提供量子優(yōu)勢的機(jī)器。

理論上講，量子計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢，能夠找到經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題的答案。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨量子比特的數(shù)量以指數(shù)方式增長。

無論是谷歌、IBM 亞馬遜這樣的科技巨頭還是 IonQ 等初創(chuàng)公司，都依賴于基于超導(dǎo)電路或離子阱的量子比特。這些方法有一個(gè)缺點(diǎn)是它們都需要極低的溫度，因?yàn)闊崃繒?huì)破壞量子比特，而控制低溫的系統(tǒng)是非常昂貴的。

相比之下，利用基于光子量子比特的量子計(jì)算機(jī)原則上可以在室溫下運(yùn)行，并且能夠輕松集成到現(xiàn)有基于光纖的電信系統(tǒng)中，有可能幫助將量子計(jì)算機(jī)連接到強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，甚至連接到量子互聯(lián)網(wǎng)。

近年來，Sycamore、九章等量子計(jì)算機(jī)陸續(xù)問世。其中，中科大研制的九章是基于光子的量子計(jì)算原型機(jī)，在高斯玻色采樣問題上，九章二號的處理速度比最快的超級計(jì)算機(jī)快億億億倍（10 的 24 次方）。

九章二號的主要缺點(diǎn)在于，它依賴于固定反射鏡片和透鏡。因此它是不可編程的，這限制了它的整體應(yīng)用。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新研究《可編程光子處理器的量子計(jì)算優(yōu)越性》中，位于多倫多的量子計(jì)算初創(chuàng)公司 Xanadu 推出了全新的設(shè)備 Borealis，它可能是第一臺完全可編程的光子量子計(jì)算機(jī)。這項(xiàng)研究 6 月 1 日正式發(fā)表在 Nature 雜志。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x.pdf

「Borealis 是第一臺任何擁有互聯(lián)網(wǎng)連接的人能夠公開使用的具有量子計(jì)算優(yōu)勢的機(jī)器，」該研究的資深作者、Xanadu 系統(tǒng)集成團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Jonathan Lavoie 說

在 Borealis 中，量子比特由所謂的「壓縮態(tài)」構(gòu)成，由光脈沖中的多個(gè)光子的疊加組成。由于量子物理學(xué)的超現(xiàn)實(shí)性質(zhì)，傳統(tǒng)的量子比特能夠以一種稱為疊加的狀態(tài)存在，它們可以表示數(shù)據(jù)的 0 或 1，而壓縮態(tài)能夠以 0、1、2、3 或更多的狀態(tài)存在。

Borealis 能夠生成多達(dá) 216 個(gè)壓縮光脈沖序列。「重要的是要認(rèn)識到 Borealis 并不等同于 216 量子比特的傳統(tǒng)設(shè)備。由于它使用壓縮態(tài)的量子比特，它處理的量子任務(wù)與基于超導(dǎo)電路量子比特或離子阱的設(shè)備不同。」Lavoie 說。

來自完全可編程光子處理器的高維 GBS。

在實(shí)驗(yàn)中，研究者在一項(xiàng)名為高斯玻色子采樣的任務(wù)中測試了 Borealis，用機(jī)器分析了其中的隨機(jī)數(shù)據(jù) patch。高斯玻色子采樣可能有很多實(shí)際應(yīng)用，例如識別哪些分子彼此最適合。

在此前的工作中，九章二號在 144 個(gè)壓縮光脈沖中檢測到了多達(dá) 113 個(gè)光子。這項(xiàng)工作中，Borealis 在其壓縮光脈沖序列中檢測到了多達(dá) 219 個(gè)光子，而一般水平是 125 個(gè)。總而言之，科學(xué)家預(yù)估，Borealis 執(zhí)行高斯玻色子采樣的速度可以超過 2021 年世界上最快的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)富岳（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)分辨探測器。此前的機(jī)器使用的是閾值檢測器，旨在僅區(qū)分出「未檢測到光子」和「至少檢測到一個(gè)光子」。Lavoie 表示，光子量子計(jì)算機(jī)可以解決的計(jì)算問題的規(guī)模隨著它可以檢測到光子數(shù)量呈指數(shù)增長，因此光子數(shù)分辨探測器使得 Borealis 的運(yùn)行速度達(dá)到此前光子量子計(jì)算機(jī)的 5000 萬倍以上。

Xanadu 讓 Borealis 可供所有人通過云使用。「我們還與合作伙伴合作，使其更廣泛地可用，」Lavoie 說。「我們希望它的公開可用性將激發(fā)更多關(guān)于量子優(yōu)勢和一般高斯玻色子采樣的研究。」

Lavoie 表示，Xanadu 未來的研究將完全專注于實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)和最終容錯(cuò)，以解決量子計(jì)算中最有價(jià)值的問題。在構(gòu)建 Borealis 過程中學(xué)到的許多技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，將被納入 [future models] 架構(gòu)中。