36微秒就能完成传统超级计算机9000年才能完成的任务？这台光子量子计算机登上 Nature

挑战「九章」计算优势的光子量子计算机出现了。

作者 | 西西

编辑 | 陈彩娴

近日，加拿大多伦多一家初创公司所开发的光子量子计算机 Borealis 登上 Nature，引起了全球科技圈的广泛关注。

他们号称 Borealis 只用 36 微秒就可以解决传统超级计算机需要九千年才能解决的问题，计算速度超过目前享誉全球的超级计算机，更是挑战了中国的九章 2.0！

这家公司就是成立于 2016 年的 Xanadu。

它们是全球少数目前正在全力研发光子量子计算机的公司，受到 IBM、微软、亚马逊、英伟达等等国际企业的关注。其创始人 Christian Weedbrook 在昆士兰大学获得物理博士学位，又在 MIT 与多伦多大学当过博士后。

那么，Borealis究竟是何方神圣？与九章相比的优势是什么呢？

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Borealis 是何方神圣？

先谈谈量子计算为何优于传统计算机。

经典计算机在对晶体管进行开关操作时会将数据转化为 1 或 0 的符号，而量子计算机是使用「量子比特」，量子比特可以叠加，同时充当 1 和 0，也就是说，单个量子位可以执行两次计算。

那么，当两个量子位在量子力学上连接、或纠缠时，它们就可以同时进行 2^2 或四个计算；三个量子位连接或纠缠时，达到 2^3 或 8 个计算，以此类推……到 300 个量子位时，量子计算机就可以在顷刻间执行比可见宇宙中原子还多的计算。

这，也就是所谓的「量子优势」。

在6月初被《Nature》接收的文章中，Xanadu团队推出了它们研发的 Borealis。据 IEEE Spectrum 介绍，这台新的光子量子计算机只需 36 微秒就可以完成一项传统超级计算机需要 9000 多年才能完成的任务。

此外，Borealis也是世界上第一台能够通过云向公众提供的具有量子优势的计算机。

图注：由 Borealis 合成的三维纠缠态的图形表示图，其中每个顶点代表一个压缩状态的量子位，每个边代表顶点之间的连接（也称为纠缠）。图源 Xanadu

Xanadu的团队还表示，它们的量子计算机基于光子，比 IBM、谷歌、亚马逊等基于超导电路或捕获离子的量子计算机具有明显的改进与优势：

具体来说，基于超导电路或捕获离子的量子比特需要比外太空还要冷的温度，因为热量会破坏量子比特。要在如此寒冷的温度下保持量子比特，需要昂贵、笨重的低温系统，而采用了这样的系统，也会限制量子比特的尺寸大小往更迷你、更便捷的方向发展。

相比之下，基于光子的量子比特的量子计算机可以在室温环境下运行，可以集成到现有的基于光纤的电信系统中，帮助量子计算机连接到网络，有望形成强大的量子互联网！

谷歌在2019年推出的 Sycamore 处理器与2021年中国九章2.0也是基于光子。在解决基准问题上，谷歌的53 个超导量子比特的 Sycamore 处理器可以用200 秒内完成超级计算机 Summit 一万年的时间，而九章2.0的团队也称解决速度是经典超级计算机的速度的十倍。

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与九章2.0对比，孰胜孰优？

IEEE Spectrum指出，虽然同是基于光子，但 Borealis 在一定程度上优于九章。

比如，九章2.0的一个主要缺陷是依赖于固定的镜子与镜头网络，所以不可编程。而据 Xanadu 介绍，Borealis 是可以编程的。

在 Borealis 中，量子位由所谓的「压缩状态」组成，而压缩状态由光脉冲中多个光子的叠加组成。它可以产生多达 216 个压缩光脉冲序列。

图注：在 Borealis 中，压缩态量子比特（粉红色脉冲）由非线性晶体产生并通过一系列三个基于环路的干涉仪发送，图源 Xanadu

他们在高斯玻色子采样任务中测试了Borealis的表现。在高斯玻色子采样中，机器要分析随机的数据块。

据了解，九章2.0在 144 个压缩光脉冲中检测到的光子是最多 113 个，而 Borealis 检测到的是最多 219 个，平均数为 125 个。

这相当于，Borealis 进行高斯玻色子采样的速度是2021年世界上最快的超级计算机 Fugaku 的 7.8 万亿倍！

Borealis 的一项关键进步是使用了光子数分辨探测器。

先前的计算机使用的是阈值检测器，只是区分「未检测到光子」和「至少检测到一个光子」，而光子量子计算机可以解决的计算问题的规模可以随着它所检测到的光子数量呈指数增长。因此，使用了光子数分辨探测器的Borealis的运行速度是以前的光子量子计算机的 5000 万倍以上。

一句话，真牛！

参考链接：

1. https://spectrum.ieee.org/photonic-quantum-computing
2. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x
3. https://xanadu.ai/products/borealis/
4. https://spectrum.ieee.org/photonic-quantum
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Xanadu_Quantum_Technologies
6. https://xanadu.ai/blog/beating-classical-computers-with-Borealis