關(guān)于新型光子量子芯片，對(duì)光子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與優(yōu)缺點(diǎn) 　　

與基于電子的機(jī)器相比，基于光子的量子計(jì)算機(jī)可能具有一些優(yōu)勢(shì)，包括在室溫下運(yùn)行，并且運(yùn)行時(shí)的溫度遠(yuǎn)比普通計(jì)算機(jī)低。量子計(jì)算初創(chuàng)公司Xanadu的科學(xué)家說(shuō)，現(xiàn)在，量子計(jì)算機(jī)又增加了一個(gè)優(yōu)勢(shì)。他們的光子量子計(jì)算機(jī)可以擴(kuò)大規(guī)模，甚至可以勝過(guò)最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，至少可以完成某些任務(wù)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過(guò)開關(guān)晶體管將數(shù)據(jù)符號(hào)化為1和0，而量子計(jì)算機(jī)則使用量子位或 “qubits”，由于量子物理學(xué)的奇異性質(zhì)，這些量子位可以以一種被稱為疊加的狀態(tài)存在，在這種狀態(tài)下它們可以同時(shí)作為1和0。

量子機(jī)械糾纏在一起的量子位越多，它們可以同時(shí)執(zhí)行更多的計(jì)算。具有足夠量子位的量子計(jì)算機(jī)在理論上可以實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”， 從而使其能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。例如，與可見(jiàn)宇宙中的原子相比，具有300個(gè)相互糾纏的量子位的量子計(jì)算機(jī)理論上可以在瞬間完成更多的計(jì)算。

除了表面上的量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)之外，一個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)與另一個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)還不清楚。谷歌，IBM和英特爾等技術(shù)巨頭正在研究的量子計(jì)算機(jī)通常依賴于基于超導(dǎo)電路或捕獲離子的量子位。這些系統(tǒng)通常需要昂貴且精巧的低溫技術(shù)，使它們僅比絕對(duì)零值高出幾度（有時(shí)僅是單度的幾分之一）。將量子比特保持在如此嚴(yán)酷的溫度下所需的昂貴，笨重的系統(tǒng)可能使將這些平臺(tái)擴(kuò)展到大量的量子比特變得異常艱巨。

相比之下，光子量子計(jì)算機(jī)不僅可以在室溫下工作，而且還可以集成 到現(xiàn)有的基于光纖的電信基礎(chǔ)架構(gòu)中，有一天可能會(huì)啟用強(qiáng)大的量子網(wǎng)絡(luò)，甚至可能啟用量子互聯(lián)網(wǎng)。

然而，光子量子計(jì)算機(jī)也面臨著自身的問(wèn)題。例如，盡管中國(guó)科學(xué)家去年報(bào)告說(shuō)，一臺(tái)光子量子計(jì)算機(jī)展示了量子優(yōu)勢(shì)，但他們說(shuō)，要解決一個(gè)問(wèn)題，世界上目前最頂尖的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要6億年才能完成。然而，龐大的設(shè)置和在操作過(guò)程中丟失的光子數(shù)量表明這種設(shè)計(jì)是不可擴(kuò)展的。此外，它的電路是不可重構(gòu)的，因此只能執(zhí)行一個(gè)單一的算法。

現(xiàn)在，總部位于多倫多的Xanadu開發(fā)了一種光子量子芯片，該芯片據(jù)說(shuō)是可編程的，可以執(zhí)行多種算法，并且具有高度可擴(kuò)展性。

Xanadu的硬件負(fù)責(zé)人Zachary Vernon說(shuō)：“長(zhǎng)期以來(lái)，光子學(xué)被認(rèn)為是量子計(jì)算領(lǐng)域的劣勢(shì) 。有了這些結(jié)果，再加上學(xué)術(shù)團(tuán)體和其他光子量子計(jì)算公司的進(jìn)步力度越來(lái)越大，很明顯，光子學(xué)并不是弱者，而將是未來(lái)的主要競(jìng)爭(zhēng)者之一。”

新的4毫米乘10毫米X8芯片實(shí)際上是8位量子計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)家說(shuō)，氮化硅芯片與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)制造技術(shù)兼容，并且可以很容易地?cái)U(kuò)展到數(shù)百個(gè)量子比特。

發(fā)射到芯片中的紅外激光脈沖與微觀諧振器耦合在一起，以生成所謂的“壓縮狀態(tài)”，該狀態(tài)由多個(gè)光子的疊加組成。接下來(lái)，光流向執(zhí)行所需計(jì)算的一系列分束器和移相器。然后，光子從芯片流出到超導(dǎo)檢測(cè)器，該檢測(cè)器對(duì)光子數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以提取量子計(jì)算的答案。

Xanadu已使該芯片可在云上使用。不了解硬件工作原理的遠(yuǎn)程用戶仍然可以使用StrawberryFields，Xanadu的用于在光子量子硬件上模擬和執(zhí)行程序的Python庫(kù)以及PennyLane（用于量子機(jī)器學(xué)習(xí)，量子計(jì)算和量子化學(xué)的Python庫(kù)）對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程。

Strawberry Field和PennyLane都是Github上提供的開源，跨平臺(tái)工具。PennyLane可以證明對(duì)所有量子計(jì)算機(jī)都有用，而不僅僅是Xanadu的。

Vernon指出：“量子硬件和算法的開發(fā)幾乎沒(méi)有觸及到一切的可能性。從事某項(xiàng)工作的人越多，越好。為了充分發(fā)揮量子計(jì)算的潛力，應(yīng)盡可能多的人從事應(yīng)用程序開發(fā)。如果有人使用公司A的硬件開發(fā)了出色的應(yīng)用程序，那么該應(yīng)用程序很可能將同樣地部署在公司B的硬件上。因此，在哪里開發(fā)和測(cè)試應(yīng)用程序就不再那么重要了。重要的是，該應(yīng)用程序是首先開發(fā)的?！?/p>

研究人員在其完全可重新編程的芯片上執(zhí)行了三種不同的量子算法。一種是高斯玻色子采樣，它分析隨機(jī)數(shù)據(jù)塊，并具有許多實(shí)際應(yīng)用，例如確定哪些分子對(duì)最適合彼此。另一個(gè)是分子振動(dòng)光譜，計(jì)算分子不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的能量，并已用于量子化學(xué)中。Vernon說(shuō)，最后一個(gè)是圖形相似性，它在不同的數(shù)據(jù)集之間尋找相似的特征，并已在數(shù)據(jù)科學(xué)中使用。

Xanadu指出，其系統(tǒng)當(dāng)前的局限性在于它們使用的超導(dǎo)光子探測(cè)器需要超冷溫度。但是，該公司指出，未來(lái)的探測(cè)器可能不需要超導(dǎo)溫度或低溫溫度，否則整臺(tái)機(jī)器都必須裝在標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)架中。

科學(xué)家們指出，他們?cè)跀U(kuò)展量子計(jì)算機(jī)方面面臨的最大挑戰(zhàn)是減少在計(jì)算機(jī)電路內(nèi)部運(yùn)行時(shí)光子丟失數(shù)量。他們認(rèn)為，使用集成的分束器和移相器（使用更精確的，可商用的芯片制造工具構(gòu)建），他們的量子機(jī)可以實(shí)現(xiàn)可接受的低損耗。

Xanadu現(xiàn)在的目標(biāo)是通過(guò)糾錯(cuò)策略使它們的量子計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際應(yīng)用更加有用，以使其對(duì)噪聲，缺陷和其他問(wèn)題的容忍度更高。
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