基于光子學的量子計算機相對于基于電子的量子計算機具有關(guān)鍵的優(yōu)勢。為了從這些優(yōu)勢中獲益，量子計算初創(chuàng)公司Xanadu首次在云端公開了光子量子計算機。

傳統(tǒng)的計算機打開或關(guān)閉晶體管來將數(shù)據(jù)符號化為1和0，而量子計算機使用量子比特或“qubits”，由于量子物理的超現(xiàn)實性質(zhì)，它們可以處于一種稱為疊加的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，可以同時起到1和0的作用。這本質(zhì)上允許每個量子比特同時執(zhí)行兩個計算。

如果兩個量子比特是量子機械連接的，或者糾纏在一起，它們可以幫助同時執(zhí)行2^2或4個計算；3個量子比特，2^3或8個計算等等。原則上，一臺擁有300個量子位的量子計算機可以在瞬間完成比可見宇宙中原子更多的計算。

許多公司，如IBM、Rigetti、Amazon和Microsoft已經(jīng)通過云公開了量子計算機。這些都依賴于基于超導電路或俘獲離子的量子比特。這些方法的一個缺點是，它們都需要比深空中發(fā)現(xiàn)的溫度更低的溫度，因為熱振動會破壞量子比特。在如此寒冷的溫度下保存量子比特所需的昂貴、笨重的系統(tǒng)也使得將這些平臺擴展到高數(shù)量的量子比特成為一個巨大的挑戰(zhàn)。

相比之下，依賴基于光子的量子比特的量子計算機原則上可以在室溫下運行。它們還可以很容易地集成到現(xiàn)有的基于光纖的電信基礎(chǔ)設(shè)施中，有可能幫助量子計算機連接成強大的網(wǎng)絡(luò)，甚至量子互聯(lián)網(wǎng)。隨著所謂的“時間復用（time multiplexing）”架構(gòu)的加入，光子量子計算原則上可以擴展到數(shù)百萬個量子比特。

據(jù)悉，9月2日，為了幫助組織利用量子計算的功能，加拿大量子技術(shù)公司Xanadu宣布發(fā)布了世界上第一個公開可用的光子量子云平臺，該平臺將使開發(fā)人員可以在8、12和很快的24量子位機器中使用光子量子處理器進行運算處理。

據(jù)Xanadu創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Christian Weedbrook稱，該公司每六個月可以將其云系統(tǒng)中的量子比特數(shù)量翻一番。Weedbrook說，在接下來的幾個月里，Xanadu將發(fā)布一份光子量子計算的藍圖，它基本上是“如何以容錯的方式擴展到數(shù)百萬個量子比特”的入門。

光子量子計算的經(jīng)典方法，線性光學量子計算，依賴于基于單個光子的量子比特。這種方法使用反射鏡、分束器和移相器來操縱光子。然后使用單光子探測器來幫助讀取這些設(shè)備所做的工作的結(jié)果。Weedbrook說，這種方法的問題是單光子很難實驗，通常將這種策略限制在少數(shù)光子上。

相比之下，Xanadu的方法被稱為連續(xù)變量量子計算（continuous variable quantum computing），不使用單光子發(fā)生器。相反，該公司依賴于由多個光子疊加而成的所謂“壓縮態(tài)（squeezed states）”。

壓縮態(tài)利用了量子物理學的一個關(guān)鍵原則：海森堡不確定度原理（Heisenberg's uncertainty principle），該原理指出，如果不測量粒子的另一個特征（如動量）而不具有較低的確定性，則無法確定地測量粒子的特征，如其位置。壓縮態(tài)利用這種折衷來“壓縮”或減少給定變量測量的不確定度，同時增加研究人員可以忽略的另一個變量測量的不確定度。這種改進的確定性原則上可以幫助Xanadu entangle大量光子。

Image: XanaduXanadu's X8 photonic quantum processing unit, showing the inputs (connected to "squeezed light" sources) and optical gates.

發(fā)射到Xanadu微芯片的激光脈沖序列與微諧振器耦合，產(chǎn)生壓縮態(tài)。光線流到由分束器和移相器組成的網(wǎng)絡(luò)中，這些分光鏡和移相器執(zhí)行所需的計算。然后，光子從芯片中抽出，進入超導探測器，這些探測器計算光子數(shù)，從而得出計算結(jié)果。

Weedbrook說：“在Xanadu之前，還沒有人致力于完全自動化這樣一個復雜的光子系統(tǒng)，這對于編寫高級代碼的用戶來說是必要的，而不僅僅是實驗室里的科學家。”

Xanadu指出，其系統(tǒng)的電流限制源于他們使用的超導光子計數(shù)器。這些計數(shù)器要求超低溫溫度低于絕對零度以上1度。然而，該公司指出，未來的探測器可能不需要超導性或低溫。

Weedbrook說，過去對光子量子計算的批評是它缺乏容錯和糾錯能力。他說：“這種情況正在開始改變，但人們可能沒有意識到這一領(lǐng)域的重要進展。光子學只是在過去幾年里才取得了重大進展。”他特別指出，Xanadu的連續(xù)變量量子計算策略與早期的光子方法相比，在糾錯和容錯方面更為復雜的策略兼容。

除了量子云，隸屬于IBM quantum computing Q network的Xanadu也在Github上廣泛提供各種開源工具。其中包括Strawberry Fields，它的跨平臺Python庫用于在量子光子硬件上模擬和執(zhí)行程序，以及PennyLane，它用于量子機器學習、量子計算和量子化學的軟件庫。

Xanadu的合作伙伴，包括亞馬遜的Quantum Solutions Lab，已經(jīng)在發(fā)布前幫助測試了公司的Quantum云。Weedbrook說，在發(fā)布后的36小時內(nèi)，Xanadu Quantum云收到了150個申請者。他指出：“反應(yīng)非常積極。我們目前優(yōu)先考慮的是擁有專門量子研究人員的機構(gòu)，而不是個人貢獻者，但這種情況在短期內(nèi)會發(fā)生變化。”

總之，“我們正在為我們的未來愿景打下基礎(chǔ)：一個通過量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的全球光子量子計算機陣列，”Weedbrook說。

責任編輯：xj

原文標題：世界首臺光子量子計算機 已在云平臺上使用

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