中国物理学家已经组装了一个光学电路，展示了量子优势。 他们选择在100模光学干涉仪上进行玻色子采样作为演示量子器件速度的任务。 根据作者的计算，他们的量子计算机比传统的超级计算机快100万亿倍。 工作 已发布 在日记中 科学.
由于量子技术的发展开始，量子计算机优于经典计算机的问题不仅仍然是开放的，而且其配方也在不断变化。 科学家们把注意力集中在量子计算机比传统计算机更有效的某些问题上。 您可以在我们的文章中阅读更多关于量子计算机及其可以更快解决的任务 "量子霸权要等多久？"
几乎一年前，谷歌的量子人工智能部门首次宣布，他们的超导53量子Sycamore处理器可以在生成随机数字字符串的任务中超越经典的超级计算机。 由于量子比特的概率性质，这种字符串的可能变体的数量非常大-253，所以对于经典的计算机来说，解决这样的问题可能需要数千年的时间。 我们在材料中写了这个实验 "量子优势» .
除了可用于演示量子计算机功能的许多任务之外，还有用于创建处理器本身的不同平台。 它们都是并行发展的，每个人都有自己的优点和缺点。 谷歌专家使用超导电路实施。 此外，物理学家正在开发基于超低温原子，离子和光子的量子处理器。 光子处理器通常包含干涉仪，这是方便实现问题 玻色子取样 . 在标准情况下，落入干涉仪中的光子彼此相互作用，这可以让您以一定的概率获得不同的输出状态。 获得一个或另一个输出状态的频率表征了干涉仪本身，或者更确切地说是光子上的变换矩阵。 玻色子采样可以计算 矩阵的持久性 ，当维度增加时，古典计算机变得困难。
来自中国科学技术大学的研究人员，由潘建伟领导，提出了一个光学方案来计算100×100的永久矩阵大小，这竟然是太多了经典的计算机。 他们使用25个非线性晶体生成一对纠缠光子，并使用散装光学组装玻色子采样干涉仪。
(a)使用自发参数散射产生一对纠缠光子的方案，(b)所有压缩状态的光谱，(c)一对产生光子的光谱分布，(d)25个状态中每一个状态的纯度值，(e)每个输入状态
图片来源：韩森钟等。 /科学，2020
光子处理器是好的，因为它们在室温下工作，但在产生量子比特的速度上落后于其他平台。 在自发参数散射的情况下，作者用来产生单光子，这是相当困难的获得产生光子对的高速率。 物理学家们能够通过选择25非线性晶体的参数，以及由于其温度控制和光学方案的高质量调谐来实现单光子产生的高效率。 此外，光子的高斯性质通过使用自发参数下变频获得，影响了输入状态的类型，研究人员使用压缩状态。 为了获得50个光子中尺寸为100的输入状态，在每个光子中编码了两个量-它在空间中的位置和它的偏振。
为了评估光子的不可区分性，这决定了它们的相互作用的程度，并测试干涉仪，物理学家开始简单的实验。 一对压缩状态被馈送到不同的干涉仪输入，并记录它们在输出端的分布。 在那之后，干涉仪在工作模式下启动，输入25个状态，并在200秒内，科学家们能够记录不同的输出状态超过300万次。
作者将开发的干涉仪的输出状态统计与随机生成数值序列的结果进行了比较，结果与理论对数正态分布一致，精度高。 事实证明，这两个统计数据并不相同，不可能使用随机生成来重现实验数据。
这项工作的一个重要而有趣的部分—比较经典计算机和光子量子处理器的性能-在两个不同的超级计算机（TaihuLight和Fugaku）上进行。 在这两种情况下，量子计算机应付其任务的速度快1014倍。
在创建具有25光子的光子处理器之前，中国科学家探索了在较少数量的量子比特上进行玻色子采样的可能性：他们 创建 一只10光子薛定谔猫, 建 一个玻色子采样器，超越了第一个经典的计算机，并 加速 使用丢失的光子计算玻色子采样器。
Oksana Borzenkova
