寻找量子优势

12月对于每个人来说都是一年中忙碌的时候，但量子物理学家似乎特别忙。特别是，两项新的研究表明，研究人员可能正在接近实现“量子优势”，即量子计算可以在可行的时间内解决任何传统计算都无法解决的问题，也就是说，解决一个在其他计算方法上不可能解决的问题。

在欧洲，丹麦和德国的研究人员已经制造出了一种芯片，在建造世界上第一台光子量子计算机的竞赛中，这是一个有希望的进步，而来自中国的一个团队使用了一种不同寻常的实验装置，第二次展示了量子优势。

的第一个研究，发表于科学进步，描述了一种纳米芯片的开发，这种芯片的宽度不到人类头发的十分之一，但能够产生数百个稳定的光子，这是光的基本粒子，可以用来存储大量数据，从而形成量子计算机的硬件，就像今天计算机中的晶体管一样。

“我们现在拥有的工具，使得有可能建立一个量子模拟器，可以超越传统的计算机，”合著者Peter Lodahl解释说，量子物理学家在哥本哈根大学的尼尔斯玻尔研究所。

实际上，要达到这一里程碑，需要同时控制至少50个量子位，即所谓的量子位——类似于经典计算机中的0和1二进制位。谷歌做到了这一点去年首次使用超导量子位，但这项新的研究表明使用光子是可能的。

“这确实是一个有趣而令人兴奋的结果，”来自澳大利亚昆士兰大学的量子物理学家Till Weinhold说，他没有参与这项研究。“它正在缩小我们可以开始利用量子计算优势的界限，但我们还没有达到这一点。”

光子量子计算只是量子计算的一种，它的不同取决于组成量子位元的“构建块”。使用光子在本世纪初风靡一时，但由于低效的光子源和探测器，以及让单个光子相互作用的棘手问题，这一领域受到了限制。

今天量子竞赛中的大多数大玩家——比如谷歌、IBM和微软——都把重点放在了使用超导架构上，比如谷歌的53量子位Sycamore芯片。

“超导量子计算机使用电荷或电流来进行计算，而光子量子计算机使用光子或光，”Weinhold说。

“因此，这两种体系结构之间的一个关键区别是信息的检测、传输和操作方式，第二个关键区别是速度。光学频率明显更高，并且有可能实现整体更快的操作——类似于经典铜缆通信网络和光纤通信网络之间的区别NBN的e网络。”

光子计算再次接近量子计算候选名单的榜首，这要归功于过去几年的几项进步——包括更高效的光子探测器、单光子源的改进，以及防止量子比特编码错误的新方法的突破。

事实上，由上海中国科技大学的简伟攀领导的一个小组首次利用光子来确定量子优势。

他们使用了一种明显非传统的计算机——一种新颖的桌面装置，包括激光、镜子、棱镜和光子探测器——来执行一种叫做高斯玻色子采样的技术。这个计算只花了200秒——但在传统计算机上是不可能的。研究小组估计三维力控TaihuLight，世界第三大超级计算机，需要惊人的25亿年。

他们的结果是出版在科学远远超过谷歌的示范；潘的团队观察到76个光子相互作用。

然而，与谷歌的Sycamore不同，中国团队的光子量子计算机不是可编程的，因此不能用于解决更多实际问题。

相反，在哥本哈根大学，该团队已经建造了一个可编程的纳米芯片，可以作为一个光子源——但还不能测试它。

该论文的主要作者拉维特伊·乌普（Ravitej Uppu）说：“进行一项同时控制50个光子的实际实验将花费我们1000万欧元，就像谷歌对超导量子比特所做的那样。”。

“与此同时，我们将利用我们的光子源开发新的和先进的量子模拟器，以解决复杂的生化问题，例如，可能被用于开发新药。”

Weinhold指出，虽然这是一个令人兴奋的启用工具，但还有很长的路要走。

他解释说：“系统中的损耗仍然太高，无法实际用于操作超过经典超级计算机能力的光子量子计算。”。

“虽然他们产生和提取光子的能力令人印象深刻，但这是剩余损耗、额外电路损耗和单个光子的可分辨性的综合，需要在量子优势得以体现之前，共同超过推导出的阈值。”

但是光子量子计算又回到了竞争中，甚至有可能超越竞争对手。