基于光子學(xué)的量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于基于電子的量子計(jì)算機(jī)具有關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。為了從這些優(yōu)勢(shì)中獲益，量子計(jì)算初創(chuàng)公司Xanadu首次在云端公開(kāi)了光子量子計(jì)算機(jī)。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)打開(kāi)或關(guān)閉晶體管來(lái)將數(shù)據(jù)符號(hào)化為1和0，而量子計(jì)算機(jī)使用量子比特或“qubits”，由于量子物理的超現(xiàn)實(shí)性質(zhì)，它們可以處于一種稱(chēng)為疊加的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，可以同時(shí)起到1和0的作用。這本質(zhì)上允許每個(gè)量子比特同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)計(jì)算。

如果兩個(gè)量子比特是量子機(jī)械連接的，或者糾纏在一起，它們可以幫助同時(shí)執(zhí)行2^2或4個(gè)計(jì)算；3個(gè)量子比特，2^3或8個(gè)計(jì)算等等。原則上，一臺(tái)擁有300個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)可以在瞬間完成比可見(jiàn)宇宙中原子更多的計(jì)算。

許多公司，如IBM、Rigetti、Amazon和Microsoft已經(jīng)通過(guò)云公開(kāi)了量子計(jì)算機(jī)。這些都依賴于基于超導(dǎo)電路或俘獲離子的量子比特。這些方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，它們都需要比深空中發(fā)現(xiàn)的溫度更低的溫度，因?yàn)闊嵴駝?dòng)會(huì)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(tái)擴(kuò)展到高數(shù)量的量子比特成為一個(gè)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(jì)算機(jī)原則上可以在室溫下運(yùn)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(jì)算機(jī)連接成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，甚至量子互聯(lián)網(wǎng)。隨著所謂的“時(shí)間復(fù)用（time multiplexing）”架構(gòu)的加入，光子量子計(jì)算原則上可以擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特。

據(jù)悉，9月2日，為了幫助組織利用量子計(jì)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(gè)公開(kāi)可用的光子量子云平臺(tái)，該平臺(tái)將使開(kāi)發(fā)人員可以在8、12和很快的24量子位機(jī)器中使用光子量子處理器進(jìn)行運(yùn)算處理。

據(jù)Xanadu創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Christian Weedbrook稱(chēng)，該公司每六個(gè)月可以將其云系統(tǒng)中的量子比特?cái)?shù)量翻一番。Weedbrook說(shuō)，在接下來(lái)的幾個(gè)月里，Xanadu將發(fā)布一份光子量子計(jì)算的藍(lán)圖，它基本上是“如何以容錯(cuò)的方式擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特”的入門(mén)。

光子量子計(jì)算的經(jīng)典方法，線性光學(xué)量子計(jì)算，依賴于基于單個(gè)光子的量子比特。這種方法使用反射鏡、分束器和移相器來(lái)操縱光子。然后使用單光子探測(cè)器來(lái)幫助讀取這些設(shè)備所做的工作的結(jié)果。Weedbrook說(shuō)，這種方法的問(wèn)題是單光子很難實(shí)驗(yàn)，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(chēng)為連續(xù)變量量子計(jì)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(gè)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(xué)的一個(gè)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(cè)量粒子的另一個(gè)特征（如動(dòng)量）而不具有較低的確定性，則無(wú)法確定地測(cè)量粒子的特征，如其位置。壓縮態(tài)利用這種折衷來(lái)“壓縮”或減少給定變量測(cè)量的不確定度，同時(shí)增加研究人員可以忽略的另一個(gè)變量測(cè)量的不確定度。這種改進(jìn)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(jì)算。然后，光子從芯片中抽出，進(jìn)入超導(dǎo)探測(cè)器，這些探測(cè)器計(jì)算光子數(shù)，從而得出計(jì)算結(jié)果。

Weedbrook說(shuō)：“在Xanadu之前，還沒(méi)有人致力于完全自動(dòng)化這樣一個(gè)復(fù)雜的光子系統(tǒng)，這對(duì)于編寫(xiě)高級(jí)代碼的用戶來(lái)說(shuō)是必要的，而不僅僅是實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)家?！?/p>

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

Weedbrook說(shuō)，過(guò)去對(duì)光子量子計(jì)算的批評(píng)是它缺乏容錯(cuò)和糾錯(cuò)能力。他說(shuō)：“這種情況正在開(kāi)始改變，但人們可能沒(méi)有意識(shí)到這一領(lǐng)域的重要進(jìn)展。光子學(xué)只是在過(guò)去幾年里才取得了重大進(jìn)展?！彼貏e指出，Xanadu的連續(xù)變量量子計(jì)算策略與早期的光子方法相比，在糾錯(cuò)和容錯(cuò)方面更為復(fù)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(kāi)源工具。其中包括Strawberry Fields，它的跨平臺(tái)Python庫(kù)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(jī)器學(xué)習(xí)、量子計(jì)算和量子化學(xué)的軟件庫(kù)。

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(cè)試了公司的Quantum云。Weedbrook說(shuō)，在發(fā)布后的36小時(shí)內(nèi)，Xanadu Quantum云收到了150個(gè)申請(qǐng)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(zhuān)門(mén)量子研究人員的機(jī)構(gòu)，而不是個(gè)人貢獻(xiàn)者，但這種情況在短期內(nèi)會(huì)發(fā)生變化。”

總之，“我們正在為我們的未來(lái)愿景打下基礎(chǔ)：一個(gè)通過(guò)量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的全球光子量子計(jì)算機(jī)陣列，”Weedbrook說(shuō)。

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原文標(biāo)題：世界首臺(tái)光子量子計(jì)算機(jī) 已在云平臺(tái)上使用

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