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36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)?這臺光子量子計算機(jī)登上 Nature

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-06-15     來源:雷鋒網(wǎng)     瀏覽次數(shù):786
核心提示:先談?wù)劻孔佑嬎銥楹蝺?yōu)于傳統(tǒng)計算機(jī)。 經(jīng)典計算機(jī)在對晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1 或 0 的符號,而量子計算機(jī)是使用
先談?wù)劻孔佑嬎銥楹蝺?yōu)于傳統(tǒng)計算機(jī)。

經(jīng)典計算機(jī)在對晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1 或 0 的符號,而量子計算機(jī)是使用「量子比特」,量子比特可以疊加,同時充當(dāng) 1 和 0,也就是說,單個量子位可以執(zhí)行兩次計算。

那么,當(dāng)兩個量子位在量子力學(xué)上連接、或糾纏時,它們就可以同時進(jìn)行 2^2 或四個計算;三個量子位連接或糾纏時,達(dá)到 2^3 或 8 個計算,以此類推……到 300 個量子位時,量子計算機(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算機(jī)只需 36 微秒就可以完成一項(xiàng)傳統(tǒng)超級計算機(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)勢的計算機(jī)。

36微秒就能完成傳統(tǒng)超級計算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)?這臺光子量子計算機(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。要在如此寒冷的溫度下保持量子比特,需要昂貴、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)完成超級計算機(jī) Summit 一萬年的時間,而九章2.0的團(tuán)隊(duì)也稱解決速度是經(jīng)典超級計算機(jī)的速度的十倍。

互聯(lián)網(wǎng)


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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)超級計算機(jī)9000年才能完成的任務(wù)?這臺光子量子計算機(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。
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先前的計算機(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」,而光子量子計算機(jī)可以解決的計算問題的規(guī)?梢噪S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算機(jī)的 5000 萬倍以上。 
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