【原】「九章3.0」来了，百亿年差距？

量子客 2023-10-12 发布于浙江

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近日，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，在过去“九章”系光量子计算基础上，成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章3.0”。

研究结果表明，“九章3.0”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前世界上最强的超级计算机 Frontier 花费超过二百亿年的时间。

刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。

相关研究成果以“Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage”为题于10月10日发表在《物理评论快报》上。

01. 什么是高斯玻色采样？

高斯玻色采样（Gaussian boson sampling，GBS）是一种利用光子干涉进行计算的量子计算方法。它涉及从具有高斯输入的随机线性光学电路的输出分布中进行采样。在GBS中，光子被发送到一个复杂的光学电路中，在那里它们相互干涉并在光子探测器上产生一系列点击模式。这些点击模式然后被用来解决计算问题。

GBS与其他量子计算方法不同，它不需要使用量子比特（qubits），这是其他量子计算方法（如量子退火和门型量子计算）的基本构建块。GBS不需要使用非高斯资源（如纠缠态或测量）。相反，它依赖于高斯态和操作的特性来实现计算优势。这使得它成为近期实现和可扩展性方面具有潜力的方法。

其次，GBS是一种采样问题类型，可以使用经典计算机来解决。然而，当光子和探测器数量足够大时，相较之下，经典计算机在解决问题时变得效率低下，故采用量子的方法，可呈现出超级的量子计算优越性。

最后，GBS在化学模拟和优化问题等领域具有潜在应用。与其他量子计算方法相比，它具有良好的可扩展性和低实现难度。

02. 1.27微秒 VS 600年，压倒性的量子优势

该研究中，研究人员通过量子计算机“九章3.0”进行高斯玻色子采样实验。

在实验中，研究人员设计了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，把多光子态分束到不同空间模式并通过延时把空间转化为时间，实现了准光子数可分辨的探测系统。

除此之外，研究还考虑了部分光子可区分性和噪声，并开发了更完整的模型来表征噪声高斯玻色采样。在量子计算优势机制中，使用贝叶斯测试和相关函数分析来针对所有当前经典欺骗模型验证样本。

这一系列创新使得研究团队在理论上首次发展了包含光子全同性的新理论模型，实现了更精确的理论与实验的吻合；同时，发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证，全面排除了所有已知的经典仿冒算法，为量子计算优越性提供了进一步数据支撑。

图｜实验装置示意图。25个受激双模压缩态光子源全部锁相后送入144模超低损耗全连接光干涉仪。光子经过72个光纤环路装置进行时空解复用，并由144个超导纳米线单光子探测器进行探测，这些探测器共同构成了伪光子数分辨探测方案。每个光纤环路设置包括两种输入模式，以不同的颜色表示。来自每个模式的光子被光纤分束器和延迟线暂时解复用成四个时间仓，并且每个时间仓在最后一个光纤分束器处进一步分成两个路径仓。对应于同一光纤环路设置的两个输入模式中的每一个的光子可以通过重合事件分析器（未示出）在时间仓中的奇偶性来区分。

图｜贝叶斯验证结果。(a) 光子——该研究的点击数分布。显示了 0.72 W 和 1.30 W 三种泵浦激光功率的实验数据。每个实验记录的最大光子点击数为 129、203 和 255。(b) 实验结果的光子点击数分布、地面实况理论、最低激光强度配置的压扁状态和热状态模型。该图包括指示每个分布的光子点击数的标准偏差的标签。很明显，实验分布与地面真实情况最吻合。误差线太小而无法显示。(c),(d) 真实理论的贝叶斯置信度作为子系统尺寸的函数，与高功率 (1.30 W) 实验中的热状态 (c) 和压扁状态 (d) 假设相对应。可以观察到，随着子系统规模的增长，贝叶斯置信度高于零，并呈现出明显增加的趋势，表明排除了两个模型，并且对整个系统的贝叶斯置信度更强。光子点击数从 20 变为 26 的贝叶斯结果以不同颜色的数据点显示，并显示相似的结果。(e),(f) 对于三种不同泵浦激光功率的实验，地面实况理论的贝叶斯置信度与子系统尺寸的函数关系。结果显示了针对固定光子点击数 (25) 的热态 (e) 和压缩态 (f) 假设的贝叶斯结果。对于所有泵浦激光功率，贝叶斯 Δ H 均高于零，并且随子系统尺寸呈现明显增加的趋势，这意味着整个系统的贝叶斯置信度更强。在所有图中，误差线表示标准误差。使用蒙特卡罗方法[28]估计的光子点击数概率的统计波动已包含在误差条中。对于每个模式数的结果，贝叶斯分数是通过对随机选择的子系统集合进行平均来获得的，以进行无偏基准测试。

图｜相关函数分析。该实验清楚地表明，与模型相比，实验与真实情况有更好的一致性，具有二范数距离 D 和斜率 K（在每个图上用彩色虚线标记）。(a),(b) 散点图中的三阶相关函数显示了实验 ( D = 0.0054 , K = 1.008 )、贪婪采样器 (a) ( D = 0.0062 , K = 1.650 ) 和 TAP 采样器 ( b) (D = 0.0067, K = 1.501) 与真实理论的比较。对于 (a) 和 (b)，使用 1000 万个样本来估计实验和模型的相关性。显示 1152 个模式中 144 个模式的所有三阶相关函数（从 1 到 8 扇出模式中各有一个）。(c),(d) 实验二阶相关函数 (D = 0.045, K = 1.004)、IPS 采样器 (c) (D = 0.254, K = 1.544) 和树宽采样器 ( d) ( D = 0.739 , K = 0.733 )，与真实理论相对。在（c）和（d）中，显示了所有 1152 个模式对，并使用 1000 万个样本来估计实验相关性，而精确的理论值用于模型采样器。(e),(f) 实验的二阶相关函数 (D = 0.040, K = 1.006), 热态模型 (e) (D = 0.275, K = 2.108), 以及压扁状态模型 (f) ) ( D = 0.052 , K = 1.110 ) 与地面实况理论，在 144 种粗粒度模式下。在(e)、(f)中，使用1000万个样本来估计实验相关性和模型采样器的相关性。所有数据均来自最高功率（1.30 W）实验。

研究结果表明，团队首次实现了对255个光子的操纵能力，极大地提升了光量子计算的复杂度。使用迄今为止最好的经典算法进行估计，在超级计算机 Frontier 上使用精确方法从相同分布生成单个理想样本将需要大约 600 年的时间，而“九章3.0”只需 1.27 μs 即可生成样本。使用精确算法从实验中生成最难的样本需要 Frontier 3.1 × 10^10 年。

也就是说，“九章3.0”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前世界上最强的超级计算机 Frontier 花费超过百亿年的时间。

这意味着在量子优越性问题上，相较过去，实现了新的里程碑。

根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，相较于“九章2.0”，“九章3.0”在处理高斯玻色取样的速度上提升了一百万倍。