全球首臺！可擴展光量子計算機原型問世

每經(jīng)編輯｜杜宇

據(jù)科技日報2月6日消息，加拿大Xanadu量子技術(shù)公司開發(fā)出全球首臺可擴展光量子計算機原型。該公司在最新一期《自然》雜志上發(fā)表文章詳細(xì)介紹了其設(shè)計和構(gòu)建過程，并展示了該原型機如何能夠靈活擴展至所需規(guī)模。這項突破為未來大規(guī)模量子計算的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

研究人員采用了模塊化設(shè)計理念來構(gòu)建這臺量子計算機。初始階段，他們構(gòu)建了一個包含少量量子位的基本單元，適用于最基礎(chǔ)的應(yīng)用場景。隨著需求增長，可以通過添加更多相同類型的單元來擴展計算能力。這些單元通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，共同構(gòu)成一臺大型計算機。每個新增的單元或量子服務(wù)器機架都會增加整體處理能力。

系統(tǒng)和主要模塊示意圖。（圖片來源：英國《自然》雜志）

研究人員指出，數(shù)千個這樣的單元可以通過光纖電纜連接，從而創(chuàng)建具有巨大處理能力的大型量子計算機。由于整個系統(tǒng)基于光子技術(shù)，因此無需將光子組件與傳統(tǒng)電子組件結(jié)合使用。

為了驗證這一理念，研究人員構(gòu)建了一個由四個服務(wù)器機架組成的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)用84個壓縮器，形成了一個擁有12個物理量子位的計算機。其中，第一個機架配置了輸入激光器，而其他三個機架則包含了五個主要子系統(tǒng)：量子位生成源、量子位存儲緩沖區(qū)、用于提高質(zhì)量和產(chǎn)生糾纏態(tài)的優(yōu)化系統(tǒng)、輔助糾纏和聚類的路由系統(tǒng)，以及執(zhí)行最終計算任務(wù)的量子處理單元。特別的是，由于系統(tǒng)完全基于光子技術(shù)，所以它能夠在室溫下運行，不需要冷卻設(shè)備。

研究人員通過創(chuàng)建一種獨特的糾纏態(tài)，測試了系統(tǒng)的性能。實驗結(jié)果令人滿意，表明該系統(tǒng)不僅能執(zhí)行復(fù)雜的大型計算任務(wù)，而且具備高度的容錯性。該成果不僅展示了量子計算的巨大潛力，還為未來技術(shù)發(fā)展提供了新的方向和可能性。

Xanadu表示，量子計算機一直面臨提高性能(糾錯和容錯)、可擴展性(網(wǎng)絡(luò))兩大問題，現(xiàn)在他們已經(jīng)解決了后者。

Aurora光量子計算機采用模塊化設(shè)計，配備35顆光子芯片，連接光纖長度達(dá)13公里，它們分為四個相似的單元，分布在4臺機架服務(wù)器上，可實現(xiàn)光互聯(lián)與聯(lián)網(wǎng)。

通過光纖互連聯(lián)網(wǎng)，多達(dá)84個壓縮器、36個光子數(shù)分辨探測器，能在每個時鐘周期提供12個物理光子量子比特模式。

他們計劃2029年建立第一個量子數(shù)據(jù)中心，包含數(shù)千臺服務(wù)器、100萬個量子比特。

圖片來源：視覺中國-VCG41N1309760279

另外，美國PsiQuantum、法國Quandela等也都在研究光量子計算機。

據(jù)科普中國，2023年10月11日，國際知名物理學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》刊登了中國研究團隊在光量子計算領(lǐng)域的最新研究成果。

來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院的潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人組成的光量子計算研究團隊，與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心共同合作，成功構(gòu)建了255個光子的光量子計算原型機“九章三號”，再次刷新了光量子計算機中可控光子數(shù)目的世界紀(jì)錄。

“九章三號”是在之前“九章”系列光量子計算原型機的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展成熟而來的最新型號，代表了當(dāng)前光量子計算領(lǐng)域的最高技術(shù)水平。

研究結(jié)果表明，相較于之前僅有113個光子操縱能力的“九章二號”量子計算原型機，具有255個光子的“九章三號”在處理“高斯玻色采樣”這一特定的復(fù)雜問題上，運算速度提升了大約一百萬倍。

因此，“九章三號”不僅提高了光量子計算機求解復(fù)雜問題的能力，還創(chuàng)造了量子計算優(yōu)越性的最新世界紀(jì)錄，為最終研制真正實用化的通用量子計算機提供了堅實的技術(shù)支撐。

光量子也稱為光子，能夠以光速來傳遞電磁相互作用，其最早在1905年由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出，并且在1926年被美國科學(xué)家吉爾伯特·路易士（Gilbert Lewis）正式命名。

現(xiàn)今生活中，我們所接觸到的電腦和計算器等電子設(shè)備，仍然屬于經(jīng)典計算機的范疇。隨著經(jīng)典計算機的算力不斷接近摩爾定律的極限，只是單純增加經(jīng)典計算機的處理器數(shù)量，越來越難以適應(yīng)未來龐大的數(shù)據(jù)運算需求。

而量子計算機不同于經(jīng)典計算機，它采用量子力學(xué)理論中的并行計算特性，來擁有更加高效的運算性能。

每日經(jīng)濟新聞綜合科技日報、科普中國

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