全球首臺！可擴展光量子計算機原型問世

每經編輯｜杜宇

據科技日報2月6日消息，加拿大Xanadu量子技術公司開發出全球首臺可擴展光量子計算機原型。該公司在最新一期《自然》雜志上發表文章詳細介紹了其設計和構建過程，并展示了該原型機如何能夠靈活擴展至所需規模。這項突破為未來大規模量子計算的發展奠定了重要基礎。

研究人員采用了模塊化設計理念來構建這臺量子計算機。初始階段，他們構建了一個包含少量量子位的基本單元，適用于最基礎的應用場景。隨著需求增長，可以通過添加更多相同類型的單元來擴展計算能力。這些單元通過網絡協同工作，共同構成一臺大型計算機。每個新增的單元或量子服務器機架都會增加整體處理能力。

系統和主要模塊示意圖。（圖片來源：英國《自然》雜志）

研究人員指出，數千個這樣的單元可以通過光纖電纜連接，從而創建具有巨大處理能力的大型量子計算機。由于整個系統基于光子技術，因此無需將光子組件與傳統電子組件結合使用。

為了驗證這一理念，研究人員構建了一個由四個服務器機架組成的原型系統。該系統用84個壓縮器，形成了一個擁有12個物理量子位的計算機。其中，第一個機架配置了輸入激光器，而其他三個機架則包含了五個主要子系統：量子位生成源、量子位存儲緩沖區、用于提高質量和產生糾纏態的優化系統、輔助糾纏和聚類的路由系統，以及執行最終計算任務的量子處理單元。特別的是，由于系統完全基于光子技術，所以它能夠在室溫下運行，不需要冷卻設備。

研究人員通過創建一種獨特的糾纏態，測試了系統的性能。實驗結果令人滿意，表明該系統不僅能執行復雜的大型計算任務，而且具備高度的容錯性。該成果不僅展示了量子計算的巨大潛力，還為未來技術發展提供了新的方向和可能性。

Xanadu表示，量子計算機一直面臨提高性能(糾錯和容錯)、可擴展性(網絡)兩大問題，現在他們已經解決了后者。

Aurora光量子計算機采用模塊化設計，配備35顆光子芯片，連接光纖長度達13公里，它們分為四個相似的單元，分布在4臺機架服務器上，可實現光互聯與聯網。

通過光纖互連聯網，多達84個壓縮器、36個光子數分辨探測器，能在每個時鐘周期提供12個物理光子量子比特模式。

他們計劃2029年建立第一個量子數據中心，包含數千臺服務器、100萬個量子比特。

圖片來源：視覺中國-VCG41N1309760279

另外，美國PsiQuantum、法國Quandela等也都在研究光量子計算機。

據科普中國，2023年10月11日，國際知名物理學術期刊《物理評論快報》刊登了中國研究團隊在光量子計算領域的最新研究成果。

來自中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院的潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人組成的光量子計算研究團隊，與中國科學院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心共同合作，成功構建了255個光子的光量子計算原型機“九章三號”，再次刷新了光量子計算機中可控光子數目的世界紀錄。

“九章三號”是在之前“九章”系列光量子計算原型機的基礎上，進一步發展成熟而來的最新型號，代表了當前光量子計算領域的最高技術水平。

研究結果表明，相較于之前僅有113個光子操縱能力的“九章二號”量子計算原型機，具有255個光子的“九章三號”在處理“高斯玻色采樣”這一特定的復雜問題上，運算速度提升了大約一百萬倍。

因此，“九章三號”不僅提高了光量子計算機求解復雜問題的能力，還創造了量子計算優越性的最新世界紀錄，為最終研制真正實用化的通用量子計算機提供了堅實的技術支撐。

光量子也稱為光子，能夠以光速來傳遞電磁相互作用，其最早在1905年由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出，并且在1926年被美國科學家吉爾伯特·路易士（Gilbert Lewis）正式命名。

現今生活中，我們所接觸到的電腦和計算器等電子設備，仍然屬于經典計算機的范疇。隨著經典計算機的算力不斷接近摩爾定律的極限，只是單純增加經典計算機的處理器數量，越來越難以適應未來龐大的數據運算需求。

而量子計算機不同于經典計算機，它采用量子力學理論中的并行計算特性，來擁有更加高效的運算性能。

每日經濟新聞綜合科技日報、科普中國

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