利用可编程光子传感器成功解决高斯玻色采样难题

       据悉，加拿大量子科技公司Xanadu与美国国家标准与技术研究院NIST合作开发的量子计算机Borealis在玻色子取样领域具有极大的计算优势，研究成果已发表在期刊《Nature》上。该团队描述了Borealis以及玻色子计算的性能，巴西弗鲁米嫩塞联邦大学Daniel Jost Brood在同期期刊上发表了一篇关于该论文的评论文章，概述了量子计算的短暂历史以及该团队在此基础上所做的新工作。

图1 完全可编程光子处理器中的高维 GBS。脉冲 OPO 产生的周期性单模压缩态脉冲串进入三个基于动态可编程环路的干涉仪序列。每个环路包含一个 VBS，包，一个可编程移相器和一个光纤延迟线。在输出的干涉仪，高斯状态被送到一个1至16二进制开关树(demux) ，其中部分解复用输出之前读出的 PNRs。最终检测到的216个光子数序列，约为36微秒，包括一个样品。光纤延迟以及伴随的分束器和移相器实现了时间相邻模式和远模式之间的门，从而实现了量子电路中的高维连接。在每个循环阶段上面描述了正在逐步合成的多体纠缠高斯态的格表示。第一级(τ)在一维最近邻模式之间有双模可编程门(绿边) ，第二级(6τ)和第三级(36τ)在二维和三维(红边和蓝边)由6个和36个时间单元分隔的模式之间有耦合。该设备的每一次运行都包括1296个实际参数的规格，对应于所有 VBS 单元的设置序列。（图片来源：Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04725-x）

       在这项新研究中，研究人员利用以光子为量子比特的光子器件，应用于玻色子计算，技术上称为高斯玻色采样挑战。它包括光准稳态，并通过分束器网络引导光线，然后探测器探测出射的光子束。目前性能最好的现代计算机在尝试这个挑战时很快会陷入困境，然而相关理论却预测量子计算机能够成功。先前的解决方向是使用76到113个光子，该团队开发的Borealis计算机能够接收多达219个光子，平均接收125个，这是一个巨大飞跃（如图1）。

       在运行这个量子挑战时，该团队发现Borealis能够在36微秒内完成指定计算任务。研究人员计算出，最好的传统计算机大约需要9000年才能完成同一任务。此外，研究人员声称，这种差异显示了计算的优势，并进一步测试了Borealis的输出结果，结果说明不可能伪造计算结果，这证明了计算结果的可靠性。