计算机科学

用光子实现量子优势

种族à l’量子电脑仍然越过了é磁带。一个新的exp.é使用光子器件的封装已经过分é在计算速度时,最佳的超级计算机。

肖恩百事可数 对于Science N°520
本文保留用于科学用户
该光子器件已计算成200秒,在超级计算机上会花费25亿年的幅度计算。

2019年,谷歌在领域制作了粉碎广告’量子电脑。他的 équipes ont affirmé avoir atteint « l’avantage quantique » (aussi nommé « suprématie quantique »)此表达式对应于体育场où量子计算机能够’执行一定的计算比n更快’什么电脑« classique ». Le résultat de Google a été rapidement contesté et a alimenté une farouche compé在r周围éalisation de l’量子优势。今天’hui, c’est une équipe chinoise menée由建 - 伟潘和赵阳陆,来自’université合肥科技和技术,确认已达到’量子优势,通过除谷歌的任何其他方法。

什么时候’é谷歌的团队发布é ses résultats en octobre 2019, les réactions ont été vives, mê情人兴奋和怀疑。 L.’humanité é她是在’entrer dans l’ère de l’量子计算机,即’annonce révanuneaire都有承诺很棒 ? Un ordinateur « classique »,与他的处理器à半导体底座,操纵’以位形式的信息,取值« 0 » ou « 1 ». L’量子计算机,操纵量子位或QUBits,基于叠加的量子原理états :一个Qubit是一个叠加’état « 0 » et de l’état « 1 ». Cette subtilité,如果它是正确的利用ée, permet en théorie de ré消耗一些计算得比’使用经典算法。一个共同的类比是’exploration d’un labyrinthe : là où经典计算机只能遵循’un chemin à两者,量子计算机探讨它们所有同时é,因此很多时间。另一个具体的例子,’Shor量子算法能够计算TRès vite la dé第一次因素d的组成’un nombre très grand. Or, aujourd’惠,许多系统è我的加密和协议écurité电流是基于这样的事实’经典算法放了一个时间rédhibitoire pour exécuter une telle tâche.

构建量子计算机是néanmoins un véritable dé技术。一种état量子超级泵é est trèS脆弱和最丝毫的骚乱à l’environnement réduit à né设备的性能。但是,Dé纠正码开发D’系统错误èmes quantiques à从ANN的尽头é1990年开放了à可以在实践中使用的量子计算机。有很多方法都是爆炸émenter des qubits :超导电路à basse température, ions piégés, photons, etc.

例如,谷歌的Sycamore量子处理器使用超导电路。有53个Qubits,它有réalisé在200秒内计算« inutile », mais conçu spécifiquement pour être difficile à对经典的架构进行治疗。 L.’é谷歌团队肯定é qu’il faudrait 10 在超级计算机上到达M的习惯ême ré苏丹。一点时间后ès, IBM a annoncé être capable d’effectuer ce mê在短短两天和半克中计算我âce à优化’具有有效管理数据存储的经典算法ées en mé莫尔。梧桐肯定是更快但l’écart n’不是不可估量的。我们真的可以谈论’avantage quantique ?

第二个参数调用问题’谷歌的肯定。 Xavier Waintal,的’universitéGrenoble-Alpes和CEA,以及两个Collègues de l’institut Flatiron, à New York, ont montré如何模拟谷歌的经典计算机计算以获得ré苏丹在几个小时内。他们的IDéE的一部分查找量子计算机(如Sycamore)并不完美。有算法模拟这些系统èmes « bruités »并简化描述。使用这种方法,研究人员有opéré一种治疗压缩,使计算更快。

但是,量子计算机噪音较少éS或收集超过Qubits可能成为TRès difficiles à模拟经典计算机mê用这种方法。事实上,’épan伟潘和昭阳鲁的队来自PRésenter un résultat vertigineux : leur système quantique fondé关于操纵光子réaliserait在200秒内计算qui prendrait 2,5 milliards d’anné在中国最强大的超级计算机 !

他们的方法’appuie sur l’é玻色子闪亮,一个身份证ée proposée于2011年由Scott Aaronson,今天’hui à l’université du Texas, à奥斯汀,和亚历克斯阿尔基夫,他的博士生à l’époque. Cette méthode est conçue spé纤维地到达’量子优势与无用的计算très difficile à在经典计算机上重现。原则回来了à发送一些光子(这是平行的独特区别和无法区分的一部分èle dans un système optique constitué d’un ré桶半r镜子éfléchissants. Lorsqu’光子到达这样的镜子,它可以être réfléChi正在过它。但由于叠加états, le photon est à两个传输和réflé奇。设备的输出是équipées de dé独特的光子斑点。

系统è充当干扰éromè非常大,我们正在寻找à计算概率és jointes de déPhoton Tectus,C’est-à-dire les corré在几个d之间é文章(例如D.’在d上有一个信号étecteurs 3, 8 et 14 ; ou sur les dé2,2,3和7个标题 ;等等。)。这些信息尤为​​纯度èrement problématique à还原在经典计算机上。获得概率é de ces motifs de dé聊天,完整的计算采用的形式’我们正在寻找的矩阵à estimer le « permanent »,达到d的尺寸é从矩阵结束,但这更困难à计算。复杂性é de ce calcul croî与涉及的光子数量是指数és(它增加了约2nO.ù n 是光子的数量étectés). Au-delà几十个光子,ré苏拉特不穿é典型计算机。

用量子电脑,résolution du problè对我来说更容易。它不是’无需进行繁琐的基质永久性的计算。只是r.é用半r镜子Alize光学装置éfléchants。注射光子é某种方式是rô受惊的和然后去« explorer »所有可能性és (comme dans l’迷宫的类比)。 R.épétant l’expé大量次,获得光子和概率的统计分布és jointes.

盖尔顿的董事会

在画廊板上,球是lâché在顶部,在指甲上反弹’遵循高斯分布,在下面积累。我们可以将此设备设计为经典和简化版本ée de l’é玻色子岸边é由Scott Aaronson和Alex Arkhipov。

©Wikimedia Commons / Rodrigo.Argenton

 

后àScott Aaronson的提案和Alex Arkhipov,许多MSéCienists认为’il serait expé试势难以控制ô在想象装置中有足够的光子é pour atteindre l’量子优势。的确,对于该系统è有效,有必要généFA的个人和无法区分的光子ç我们同步。另一个问题ème est d’具有足够可靠的独特光子传感器,用于测量输出。物理学家有R.éalisé此设备具有视图é电子光子。但我们不得不为公关有几十个étendre atteindre l’avantage quantique.

但最后一个ères années, divers progrèS技术(例如,在光子源上)对这些系统的设计进行了进展èmes. En 2019, l’é建 - 伟潘一支球队éveloppé un système d’é玻色子闪亮能够操纵十几个光子。研究人员表现出来é经典的计算é只有单独的计算机难以困难à la portée d’超级计算机。对于瘾君子î然后是光子的数量,然后使用é une variante de l’é玻色素描。

2017年,克里斯汀·斯米尔伯霍恩,’université从帕德博恩,德国及其équipe ont proposé一种新的NOMM技术ée « é高斯博斯顿圣诞老人园 »。在Scott Aaronson和Alex Arkhipov设备中,使用唯一的光子états dits « non gaussiens » et des dé独特的光子斑点,也包括非高斯组件。 vs.’est l’非高斯方面的问题ème très complexe à计算经典计算机。 L.’idée de l’é克里斯汀·斯米尔波恩的团队été替换单个光子é高斯和制革的国家és. Ces éTATS更简单à在实验室中生产为独特的光子,有可能’在将更多内注入系统中è我。另一方面,我们总是使用déPr的独特光子屋顶é为非高斯组成部分服务。在这种情况下,我们不再计算永久性的’矩阵,但另一个表观函数ée。原则仍然是mê因为这个函数是également difficile à计算经典计算机。

L’« ordinateur quantique » de l’équipe chinoise, nommé九章,有100圈ées。然后将光子交叉300个半镜子的电路éflé制空间和75镜子。他们émergent par l’100个网点中的一个’un détector。研究人员已经获得了概率的分布é光子约200秒。它们平均为43个光子étectéS为每次抽取,最多76个光子。这些数字élevéS粒子提供了一个身份证ée de la complexité du calcul à traiter par l’approche classique.

研究人员感受到了é中国超级计算机太威尔太威尔的时间预先提升(第四è11月我的全球超级计算机 2020)使用Optimis算法é pour obtenir le même résultat : 2,5 milliards d’années ! Le facteur 1014 在两个计算时期之间对此毫无疑问’avantage du système quantique. Né应该强调的是计算时间是外弧é假设系统è完美量子,而’像九章这样的机器是不完美和噪音ée. L’Xavier Waintal和他的Collè因此,官方将压缩计算时间。休息à savoir de combien.

F Açon générale, les spécialists迎接résultat de l’é建伟潘队。技术性能是Dé蒙特的进步力量è来自比赛中的光子学à l’量子电脑。然而,许多研究人员指出了这一点’瞬间,像九章n这样的机器’不执行有用的计算和n’对r不可编程ésoudre des problè我的混凝土,不像à谷歌的Sycamore芯片,这是一个真正的可编程处理器,但虽然是限制é通过他的少数Qubits。

2000年,Emanuel Knill,’université du Colorado, à博尔德,和他的科尔ègues ont montré théoriquement qu’un interféromè光子可能ê普遍和计划é。但是,有必要能够衡量时间réel certains photons à l’intérieur du ré铲斗并调整系统的其余部分ème en fonction du ré苏丹。这样的机器n’a pas encore été réalisée. En revanche, l’avancéejuzhang技术表明’它是可能的’envisager des systèmes photoniques spécialisés capables de résoudre des problèmes précis, notamment en théORIE图形或量子化学(计算光谱’états excités de molécules). La course à l’连续量子计算机 !

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