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核心提示：先談?wù)劻孔佑?jì)算為何優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)在對晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1 或 0 的符號，而量子計(jì)算機(jī)是使用
先談?wù)劻孔佑?jì)算為何優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)在對晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1 或 0 的符號，而量子計(jì)算機(jī)是使用「量子比特」，量子比特可以疊加，同時(shí)充當(dāng) 1 和 0，也就是說，單個量子位可以執(zhí)行兩次計(jì)算。
那么，當(dāng)兩個量子位在量子力學(xué)上連接、或糾纏時(shí)，它們就可以同時(shí)進(jìn)行 2^2 或四個計(jì)算；三個量子位連接或糾纏時(shí)，達(dá)到 2^3 或 8 個計(jì)算，以此類推……到 300 個量子位時(shí)，量子計(jì)算機(jī)就可以在頃刻間執(zhí)行比可見宇宙中原子還多的計(jì)算。
這，也就是所謂的「量子優(yōu)勢」。
在6月初被《Nature》接收的文章中，Xanadu團(tuán)隊(duì)推出了它們研發(fā)的 Borealis。據(jù) IEEE Spectrum 介紹，這臺新的光子量子計(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)需要 9000 多年才能完成的任務(wù)。
此外，Borealis也是世界上第一臺能夠通過云向公眾提供的具有量子優(yōu)勢的計(jì)算機(jī)。
36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)？這臺光子量子計(jì)算機(jī)登上 Nature
圖注：由 Borealis 合成的三維糾纏態(tài)的圖形表示圖，其中每個頂點(diǎn)代表一個壓縮狀態(tài)的量子位，每個邊代表頂點(diǎn)之間的連接（也稱為糾纏）。圖源 Xanadu
Xanadu的團(tuán)隊(duì)還表示，它們的量子計(jì)算機(jī)基于光子，比 IBM、谷歌、亞馬遜等基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子計(jì)算機(jī)具有明顯的改進(jìn)與優(yōu)勢：
具體來說，基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子比特需要比外太空還要冷的溫度，因?yàn)闊崃繒茐牧孔颖忍亍Ｒ谌绱撕涞臏囟认卤３至孔颖忍兀枰嘿F、笨重的低溫系統(tǒng)，而采用了這樣的系統(tǒng)，也會限制量子比特的尺寸大小往更迷你、更便捷的方向發(fā)展。
相比之下，基于光子的量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以在室溫環(huán)境下運(yùn)行，可以集成到現(xiàn)有的基于光纖的電信系統(tǒng)中，幫助量子計(jì)算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)，有望形成強(qiáng)大的量子互聯(lián)網(wǎng)！
谷歌在2019年推出的 Sycamore 處理器與2021年中國九章2.0也是基于光子。在解決基準(zhǔn)問題上，谷歌的53 個超導(dǎo)量子比特的 Sycamore 處理器可以用200 秒內(nèi)完成超級計(jì)算機(jī) Summit 一萬年的時(shí)間，而九章2.0的團(tuán)隊(duì)也稱解決速度是經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的速度的十倍。
2
與九章2.0對比，孰勝孰優(yōu)？
IEEE Spectrum指出，雖然同是基于光子，但 Borealis 在一定程度上優(yōu)于九章。
比如，九章2.0的一個主要缺陷是依賴于固定的鏡子與鏡頭網(wǎng)絡(luò)，所以不可編程。而據(jù) Xanadu 介紹，Borealis 是可以編程的。
在 Borealis 中，量子位由所謂的「壓縮狀態(tài)」組成，而壓縮狀態(tài)由光脈沖中多個光子的疊加組成。它可以產(chǎn)生多達(dá) 216 個壓縮光脈沖序列。
36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)？這臺光子量子計(jì)算機(jī)登上 Nature
圖注：在 Borealis 中，壓縮態(tài)量子比特（粉紅色脈沖）由非線性晶體產(chǎn)生并通過一系列三個基于環(huán)路的干涉儀發(fā)送，圖源 Xanadu
他們在高斯玻色子采樣任務(wù)中測試了Borealis的表現(xiàn)。在高斯玻色子采樣中，機(jī)器要分析隨機(jī)的數(shù)據(jù)塊。
據(jù)了解，九章2.0在 144 個壓縮光脈沖中檢測到的光子是最多 113 個，而 Borealis 檢測到的是最多 219 個，平均數(shù)為 125 個。
這相當(dāng)于，Borealis 進(jìn)行高斯玻色子采樣的速度是2021年世界上最快的超級計(jì)算機(jī) 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。
先前的計(jì)算機(jī)使用的是閾值檢測器，只是區(qū)分「未檢測到光子」和「至少檢測到一個光子」，而光子量子計(jì)算機(jī)可以解決的計(jì)算問題的規(guī)模可以隨著它所檢測到的光子數(shù)量呈指數(shù)增長。因此，使用了光子數(shù)分辨探測器的Borealis的運(yùn)行速度是以前的光子量子計(jì)算機(jī)的 5000 萬倍以上。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)在對晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1 或 0 的符號，而量子計(jì)算機(jī)是使用「量子比特」，量子比特可以疊加，同時(shí)充當(dāng) 1 和 0，也就是說，單個量子位可以執(zhí)行兩次計(jì)算。
那么，當(dāng)兩個量子位在量子力學(xué)上連接、或糾纏時(shí)，它們就可以同時(shí)進(jìn)行 2^2 或四個計(jì)算；三個量子位連接或糾纏時(shí)，達(dá)到 2^3 或 8 個計(jì)算，以此類推……到 300 個量子位時(shí)，量子計(jì)算機(jī)就可以在頃刻間執(zhí)行比可見宇宙中原子還多的計(jì)算。
這，也就是所謂的「量子優(yōu)勢」。
在6月初被《Nature》接收的文章中，Xanadu團(tuán)隊(duì)推出了它們研發(fā)的 Borealis。據(jù) IEEE Spectrum 介紹，這臺新的光子量子計(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)需要 9000 多年才能完成的任務(wù)。
此外，Borealis也是世界上第一臺能夠通過云向公眾提供的具有量子優(yōu)勢的計(jì)算機(jī)。
36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)？這臺光子量子計(jì)算機(jī)登上 Nature
圖注：由 Borealis 合成的三維糾纏態(tài)的圖形表示圖，其中每個頂點(diǎn)代表一個壓縮狀態(tài)的量子位，每個邊代表頂點(diǎn)之間的連接（也稱為糾纏）。圖源 Xanadu
Xanadu的團(tuán)隊(duì)還表示，它們的量子計(jì)算機(jī)基于光子，比 IBM、谷歌、亞馬遜等基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子計(jì)算機(jī)具有明顯的改進(jìn)與優(yōu)勢：
具體來說，基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子比特需要比外太空還要冷的溫度，因?yàn)闊崃繒茐牧孔颖忍亍Ｒ谌绱撕涞臏囟认卤３至孔颖忍兀枰嘿F、笨重的低溫系統(tǒng)，而采用了這樣的系統(tǒng)，也會限制量子比特的尺寸大小往更迷你、更便捷的方向發(fā)展。
相比之下，基于光子的量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以在室溫環(huán)境下運(yùn)行，可以集成到現(xiàn)有的基于光纖的電信系統(tǒng)中，幫助量子計(jì)算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)，有望形成強(qiáng)大的量子互聯(lián)網(wǎng)！
谷歌在2019年推出的 Sycamore 處理器與2021年中國九章2.0也是基于光子。在解決基準(zhǔn)問題上，谷歌的53 個超導(dǎo)量子比特的 Sycamore 處理器可以用200 秒內(nèi)完成超級計(jì)算機(jī) Summit 一萬年的時(shí)間，而九章2.0的團(tuán)隊(duì)也稱解決速度是經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的速度的十倍。
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與九章2.0對比，孰勝孰優(yōu)？
IEEE Spectrum指出，雖然同是基于光子，但 Borealis 在一定程度上優(yōu)于九章。
比如，九章2.0的一個主要缺陷是依賴于固定的鏡子與鏡頭網(wǎng)絡(luò)，所以不可編程。而據(jù) Xanadu 介紹，Borealis 是可以編程的。
在 Borealis 中，量子位由所謂的「壓縮狀態(tài)」組成，而壓縮狀態(tài)由光脈沖中多個光子的疊加組成。它可以產(chǎn)生多達(dá) 216 個壓縮光脈沖序列。
36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)？這臺光子量子計(jì)算機(jī)登上 Nature
圖注：在 Borealis 中，壓縮態(tài)量子比特（粉紅色脈沖）由非線性晶體產(chǎn)生并通過一系列三個基于環(huán)路的干涉儀發(fā)送，圖源 Xanadu
他們在高斯玻色子采樣任務(wù)中測試了Borealis的表現(xiàn)。在高斯玻色子采樣中，機(jī)器要分析隨機(jī)的數(shù)據(jù)塊。
據(jù)了解，九章2.0在 144 個壓縮光脈沖中檢測到的光子是最多 113 個，而 Borealis 檢測到的是最多 219 個，平均數(shù)為 125 個。
這相當(dāng)于，Borealis 進(jìn)行高斯玻色子采樣的速度是2021年世界上最快的超級計(jì)算機(jī) 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。
先前的計(jì)算機(jī)使用的是閾值檢測器，只是區(qū)分「未檢測到光子」和「至少檢測到一個光子」，而光子量子計(jì)算機(jī)可以解決的計(jì)算問題的規(guī)模可以隨著它所檢測到的光子數(shù)量呈指數(shù)增長。因此，使用了光子數(shù)分辨探測器的Borealis的運(yùn)行速度是以前的光子量子計(jì)算機(jī)的 5000 萬倍以上。
