加拿大量子计算初创公司Xanadu与美国国家标准与技术研究院（NIST）合作，于6月1日在《自然》期刊上发表论文，宣布了在其最新研发的光量子计算设备Borealis（北极光）上完成了大规模高斯玻色采样实验。继中国科学技术大学的“九章”和“九章二号”后，Borealis第三个实现了光量子计算优越性。
光量子计算处理器Borealis
量子物理给信息处理带来了根本性改变，例如基于量子物理的量子计算具有远超经典计算的强大计算能力。对量子计算这一全新计算模式的研究，不仅加深人们对计算和信息本质的认识，同时还能实现造福人类的实际应用。在量子计算中，信息的基本单元是量子比特，量子计算机操控量子比特来完成信息处理、实现计算任务。其计算能力随量子比特数的增加而呈指数级增长，因此实现大规模量子比特体系，是物理学家们的奋斗目标。
量子态脆弱、敏感，极易受周围环境影响，建造一台量子比特数多、操控保真度高的量子计算机，是一项严峻挑战。最近一些年，随着技术与理论的进步，量子计算取得重要突破：在超导量子计算方面，Google的“悬铃木”（2019年）和中国科大的“祖冲之二号”（2021年）量子比特数分别达到53和66（“祖冲之二号”先后通过操控其上的56和60个量子比特来实现“量子计算优越性”）；在光量子计算方面，中国科大的“九章”（2020年）和“九章二号”（2021年）则分别实现了76和113个光子的高斯玻色取样任务。现在，Borealis将量子体系的规模进一步提高，实现了219个光子的高斯玻色取样任务。
在这些量子计算“原型机”上，都实现了量子计算的一个重要里程碑——“量子计算优越性”。何为量子计算优越性？如果一个特定的计算任务可以被量子计算机解决，但是不能在一个可接受的时间内被任何现存的经典计算机运用任何已知算法来完成，那么我们就说达到了量子优越性。它被认为是量子计算发展路线中的第一个里程碑。
和“九章”、“九章二号”一样，Borealis也是在高斯玻色采样任务上实现了量子计算优越性。2011年，理论计算机科学家Aaronson 和Arkhipov 提出玻色采样的想法，这是一个适合光学系统（单光子源、线性光学干涉仪和单光子探测器）来完成的计算模型，而因其复杂性，当光子数较多时，这一问题对于经典计算机来说却是难以胜任的。2017 年，Hamilton 等人提出高斯玻色采样的概念，2018年，Quesada等人对这一计算模型进一步简化。高斯玻色采样任务的复杂度同样让经典计算望而生畏，但对于目前的实验技术而言，高斯玻色采样任务比标准玻色采样更方便大规模地实现。另一方面，在许多领域，高斯玻色采样还具有潜在的应用价值。
“九章”实现量子计算优越性一年半之后，Borealis也实现了这一里程碑。Borealis采集了一百万个实验样本，记录到最多219个光子的符合事件。一次取样，Borealis需要36微秒，而这一任务用当今最强大的超算模拟则需要9000年以上。继美国在超导体系中率先实现“量子计算优越性”、中国后来居上于光学和超导两种物理体系中实现这一里程碑之后，光量子计算设备Borealis使加拿大成为达到这一成就的第三个国家，跻身全球量子竞赛的领先队列。
相比“九章”，在以下一些主要方面，Borealis对实验方案进行了简化和改进。例如，Borealis采用了时间编码的高斯玻色采样方案，可以通过光子到达探测器的时间来对光子进行分辨和计数。为此，他们解决了时域多路复用、快速电光开关、高速光子数分辨探测和非经典光产生等实验技术障碍。Borealis还具有可调性更好的光学结构，这使得它有了更多的编程能力，实现了部分编程性（2.7%，“九章二号”可编程性为0.9%）。另外，在实验结果正确性确认的方式上，也有一些新方法。但在线路效率、干涉仪深度、矩阵随机性、高阶关联等方面，“九章”表现更优异。
人们可以精准操控的量子比特系统正以史无前例的速度变得越来越大。在制备规模更大、性能更优量子计算系统的道路上，中国和国际上的物理学家们都正在不断探索，展开竞争。量子计算机急剧增长的信息处理能力给进一步实现量子纠错、迈向容错量子计算，以及基于目前规模的量子计算系统来探索具有实际价值的应用（量子化学、机器学习，等等）带来了希望。从几十年前模糊的想法，到只能在小体系中进行原理性演示，再到今天可以看得见的应用前景，量子计算已经从梦想照进现实。“量子信息技术不仅是我国的战略技术，也已经成为欧美主要发达国家的重要战略布局。”在量子计算领域，国内外彼此赶超、交替领先的格局，正是这一认识的真实写照。
参考文献
1. Madsen, L.S., Laudenbach, F., Askarani, M.F. et al. Quantum computational advantage with a programmable photonic processor. Nature 606, 75–81 (2022).
（撰稿：王佳；排版：吴丽薇）