“九章”的竞争者来了，Xanadu实现光量子计算优越性

6月1日，多伦多量子计算初创公司Xanadu宣布使用他们最新的可编程光量子计算机Borealis(北极光)完成高斯玻色采样实验，展示了量子计算优越性。该实验类似中国科学技术大学的“九章”和“九章二号”。这一重要成果以《可编程光子处理器的量子计算优越性》[1]为题发表在《自然》杂志上。

该公司表示，这是第一台提供所有门的完全可编程性以展示量子计算优越性的光量子计算机，也是第一次通过云向公众提供具有量子优越性的机器。用户可以通过Xanadu Cloud访问该机器，并很快接入亚马逊Braket云服务。

访问Xanadu Cloud：

https://pennylane.xanadu.ai/

Borealis合成了216个压缩态量子比特的量子态，纠缠在三维空间中。然后，以超过任何现有经典超级计算机能力的速度从这种状态中生成样本。使用直接模拟，世界上最快的超级计算机需要大约9000年才能生成一个这样的样本，而Borealis只需要36微秒。这一运行运行时间优势是早期光子演示的5000万倍以上。

Xanadu创始人兼首席执行官Christian Weedbrook表示:“我们非常高兴能够首次为全球用户公开在云上提供量子计算优越性。这是量子计算的又一个重大里程碑。它展示了光量子计算机扩大规模的能力。”

在光子学中，时域多路复用为构建容错量子计算机提供了一种相对硬件高效的途径，同时也为展示量子计算优越性的近期准通用机器提供了途径。通过在连续光脉冲中对量子信息进行编码，有效地多路复用少量光信道以处理大量模式的信息，可以用相对较少的光学元件处理大型和高度纠缠态。

使用时域多路复用，利用投影测量实现的可编程线性操作，确定性地产生了大型一维和二维团簇态，利用低损耗光纤作为延迟线，使光子量子信息得到有效缓冲。然而以往的演示缺乏非高斯元素，无法合成足够复杂的状态。

在这项工作中，Xanadu解决了与时域多路复用、快速电光开关、高速光子数分辨探测技术和非经典光产生相关的技术障碍，构建了一个可扩展和可编程的高斯玻色采样器Borealis。

如图1所示，他们实现的光路是完全可编程的，提供不同模式之间的远程耦合，并允许所有这样的耦合被动态编程。它使用一系列三个可变分束器(VBS)和相位稳定光纤环路对一系列输入压缩光脉冲进行线性光学转换，这些光纤环路充当光的有效缓冲存储器，允许时间相邻或相隔6或36个time-bin的模式之间发生干涉。

该系统在6 MHz脉冲序列中合成了一个可编程多模式纠缠高斯态，然后将其部分解复用(Demux)为16个输出通道，并使用光子数分辨探测器(PNR)进行采样。

图1 完全可编程光子处理器Borealis

来自脉冲OPO(光参量振荡器)的单模式压缩态的周期脉冲序列进入一系列三个动态可编程的基于环路的干涉仪。每个环路包含一个可变分束器(VBS)，包括一个可编程移相器和一个光纤延迟线。在干涉仪的输出端，高斯态被发送到1至16二进制开关树(Demux)，Demux在PNR读出之前对输出进行部分解复用。

在大约36微秒内得到的216个光子数的探测序列包含一个样本，世界上最快的超级计算机需要大约9000年才能生成一个这样的样本。光纤延迟和附带的分束器和移相器实现了时间相邻模式和远程模式之间的门，从而实现了量子线路中的高维连通性。

在每一个环路阶段的上方，描绘了一个多体纠缠高斯态被逐步合成的网格表示。第一阶段(τ)在一维上实现最近邻模式之间的双模式可编程门(绿色边缘)，而第二(6τ)和第三阶段(36τ)在第二维度和第三维度(分别为红色和蓝色边缘)上实现由6个和36个time-bin分隔的模式之间的耦合。设备的每次运行都涉及1296个实参数的规范，对应于所有VBS单元的设置顺序。

简单来说，他们能够合成具有三维纠缠拓扑的216模式状态。这一点尤其值得注意，因为三维团簇态足以用于基于测量的容错量子计算；虽然合成的状态本身不是团簇态，但是通过在环路上选择适当的相位和分束比，该设备可以很容易地编程以生成团簇态。

实验结果如图2所示，他们探测了106个高维高斯态样本的光子，记录了最多219个光子和平均125个光子的事件。

图2 输出端探测到的光子数分布，最多219，平均125。其中蓝色为真实情况。

Xanadu还对比了Borealis和“九章二号”量子计算优越性实验(成功探测到了113个光子)的经典模拟时间，如图3所示，其中G表示输出样本的“聚束程度”，Nc表示光子数。因为来自九章二号的样本都是阈值样本，所以它们的G = 2，而来自Borealis的样本具有碰撞并被光子数分辨，因此G 2。

在(Nc, G)空间中绘制了每个实验的样本密度(红色和蓝色)，并用“五角星”表示每个实验中复杂度最高的样本。对于每个实验，标星样本位于分布的最末端，很少出现。

图3 Borealis和“九章二号”的经典模拟时间分布

总的来说，Borealis使用216个独立的量子系统来实现量子计算优越性，远远超出了当前最先进的经典模拟算法的能力。他们使用光子数分辨探测器可以获得更大的总光子数，这是早期使用传统阈值探测器的实验无法实现的。同样地，使用时域多路复用技术可以获得更多压缩模式，而不会增加系统的物理范围或复杂性。

此外，在交叉熵基准测试中，Xanadu使用最新多项式时间算法的泛化，其输出不能被有效欺骗，如图4所示。

图4 基于真实情况的交叉熵基准测试。来自量子硬件的真实样本的分数(绿色)高于所有经典欺骗者，验证了该设备的高保真度和真实性。误差线是平均值的标准误差。

Xanadu是继中国科大之后第二个通过高斯玻色采样实现量子计算优越性的团队，因此我们从四个方面将Borealis与九章二号进行对比。

首先，Borealis的可编程性是九章二号的3倍(2.7% vs 0.9%)。其次，Borealis与九章二号分别使用光子数分辨探测器与阈值探测器，最多探测光子数219 vs 113。

但在另外两个方面，Borealis与九章二号也存在一定差距，包括较低的净透射率(33% vs 54%)以及更浅的干涉仪深度(矩阵的1/3元素：0 vs 随机)。

不过Xanadu表示，他们的量子优越性实验不是结局，而是朝着容错量子计算机最终目标迈出的重要一步。容错量子计算机可以解决下一代电池开发、药物发现、金融和物流等领域的一系列棘手问题。

参考文献：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x