中国科学家使用光粒子创建量子计算机，争夺量子计算霸主地位

11月14日消息，谷歌的科学家在上个月发表重大研究成果，声称自己的量子计算机能够在200秒内执行的一项操作，而这项任务需要经典计算机运行10000年，表示以实现了量子至上（霸权）。但同时也遭到了一些包括同样研究量子计算的 IBM 研究人员等多方的质疑。相比较而言中国在量子计算领域已经落后，有人分析大概有2~3年的差距。不过，最近中国科学家在量子计算机的国际竞赛中，提出了一种独辟蹊径的方法--使用光粒子(光子)创建量子计算机。该结果在10月22日发布在arXiv.org上的一篇论文中进行了报道，但尚未经过同行评审。但是，如果证实这一点，那将是争夺量子计算霸主地位的重要里程碑。

Credit: Mehau Kulyk Getty Images

    以下为来自外媒 scientificamerican 的报道：  

在争创可超越传统计算机的量子计算机的竞赛中，一种使用光粒子（光子）的方法迈出了可喜的一步。中国科学技术大学的潘建伟和卢朝阳及其同事改进了一种称为玻色子采样的量子计算技术，在其最终结果中实现了创纪录的14个检测到的光子，先前的实验只能探测到5个光子。。虽然只增加了9个粒子数量，但是在“状态空间”或计算机系统的配置方式方面，它的增加达到了65亿倍。状态空间越大，经典计算机执行相同计算的可能性就越小。

    THE BEAN MACHINE  

在经典计算机中，信息以二进制位编码，因此两个位可以是00、01、10或11。一台量子计算机可以同时处于每个经典状态：两个qubit的概率为00、01、10 和 11，直到他们被测量; 三个量子位有可能处于八个状态中的任何一个；等等。信息的呈指数增长说明了理论上量子计算机为何具有如此优势的原因。

在过去的几周中，量子计算至上的竞赛达到了惊人的速度。Google的量子计算机执行了一项操作，科学家声称该操作将在200秒内将一台经典计算机花费10,000年。还在研究量子计算机的IBM研究人员对此表示怀疑，认为经典计算机可以在三天内解决该问题。

潘和卢在他们的论文中指出，他们的技术是通往量子至上的另一种可能途径。“我不确定，看起来很难。”不参与这项研究的德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家Scott Aaronson说。“但是，作为玻色子采样的共同发明者，我很高兴看到在这方面也取得了进展。”

玻色子采样可以看作是称为bean机器的经典设备的量子版本。在该装置中，球被掉落到成排的钉子上，然后从这些钉子弹起，落在底部的插槽中。球的随机运动通常会导致槽中呈正态分布：大多数球落在中心附近，较少落到侧面，在边缘逐渐变细。经典计算机可以轻松模拟随机运动来预测此结果。

玻色子采样用光子代替小球，用光学设备（例如反光镜和棱镜）代替球钉。光子穿过阵列发射，并降落到最后的“插槽”中，探测器在此处记录其存在。由于光子的量子特性，只有50或60个光子的设备可能会产生许多不同的分布，以至于经典计算机要花费数十亿年的时间对其进行预测。

但是玻色子采样可以通过执行任务本身来预测结果。这样，该技术既是计算问题，又是可以解决该问题的量子计算机。

Aaronson和他当时的学生Alex Arkhipov在2010年提出了玻色子采样法，但它落后于其他使用物理量子位的量子计算方法，例如Google和IBM所偏爱的技术。麻烦的部分是其有限的实用性。路易斯安那州立大学的理论物理学家Jonathan Dowling说：“通用计算机可以解决任何不同类型的问题。” “这只能解决一个问题。”但是，仅比经典计算机更快地解决一个问题就可以看作是量子计算至上的证明。

    量子至上就像是一场赛马  

不过，进行实验说起来容易做起来难。陆在Twitter上分享了他的团队实验装置的照片，桌面上覆盖着错综复杂的密密麻麻，闪闪发光的金属装置。真正的困难在于时间一致：团队需要分别并同时产生单个光子。“光子不会互相等待，因此您需要同时生成每个光子，”英国布里斯托大学的量子计算专业博士生AlexandraMoylett说道。（注：他也没有参与这项工作）

如果光子相隔几千亿分之一秒到达，它们就会“丢失”。系统中的每个光子都会增加出现光子不同步的机会，因为误差会累加。损失的光子越多，经典计算机就越容易模拟光子的分布，而您从量子计算至上性中获得的收益就越多。陆将团队增加到14个检测到的光子归功于极其精确的光子源。“这看起来很神奇” Dowling说。“否则，他们将无法做到这一点。”

尽管研究人员仅在20个输入光子中检测到14个，但是这个数目足以产生难以计算的状态空间。要了解这是为什么，请考虑一个简单的井字棋游戏，其中状态空间为39=19,683，因为九个正方形中的每个都有三种可能性：空白，X或O。抽样研究的状态空间为15,504，而潘和陆的实验状态空间大约为100万亿。陆在Twitter帖子中声称，他的团队将在一年内将光子数量增加到30至50个。

玻色子采样是否可以扩大规模以达到量子计算的最高水平仍不清楚。Dowling表示：“量子至上就像是一场赛马，您不知道自己的速度有多快，别人的速度有多快” 。

原文连接：https://www.scientificamerican.com/article/quantum-computer-made-from-photons-achieves-a-new-record/