超級計算機通常被用于加解決那些經典計算機無法完成的問題，那如果超算的速度還不夠呢？現在，一種新型的光子量子計算機只需 36 微秒就可以完成一項傳統超級計算機 9000 多年才能完成的任務。

這臺光子量子計算機名為 Borealis，是第一臺能夠通過云向公眾提供量子優勢的機器。

理論上講，量子計算機具有量子優勢，能夠找到經典計算機無法解決的問題的答案。量子計算機的計算能力隨量子比特的數量以指數方式增長。

無論是谷歌、IBM 亞馬遜這樣的科技巨頭還是 IonQ 等初創公司，都依賴于基于超導電路或離子阱的量子比特。這些方法有一個缺點是它們都需要極低的溫度，因為熱量會破壞量子比特，而控制低溫的系統是非常昂貴的。

相比之下，利用基于光子量子比特的量子計算機原則上可以在室溫下運行，并且能夠輕松集成到現有基于光纖的電信系統中，有可能幫助將量子計算機連接到強大的網絡，甚至連接到量子互聯網。

近年來，Sycamore、九章等量子計算機陸續問世。其中，中科大研制的九章是基于光子的量子計算原型機，在高斯玻色采樣問題上，九章二號的處理速度比最快的超級計算機快億億億倍（10 的 24 次方）。

九章二號的主要缺點在于，它依賴于固定反射鏡片和透鏡。因此它是不可編程的，這限制了它的整體應用。

現在，在一項新研究《可編程光子處理器的量子計算優越性》中，位于多倫多的量子計算初創公司 Xanadu 推出了全新的設備 Borealis，它可能是第一臺完全可編程的光子量子計算機。這項研究 6 月 1 日正式發表在 Nature 雜志。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x.pdf

「Borealis 是第一臺任何擁有互聯網連接的人能夠公開使用的具有量子計算優勢的機器，」該研究的資深作者、Xanadu 系統集成團隊負責人 Jonathan Lavoie 說

在 Borealis 中，量子比特由所謂的「壓縮態」構成，由光脈沖中的多個光子的疊加組成。由于量子物理學的超現實性質，傳統的量子比特能夠以一種稱為疊加的狀態存在，它們可以表示數據的 0 或 1，而壓縮態能夠以 0、1、2、3 或更多的狀態存在。

Borealis 能夠生成多達 216 個壓縮光脈沖序列。「重要的是要認識到 Borealis 并不等同于 216 量子比特的傳統設備。由于它使用壓縮態的量子比特，它處理的量子任務與基于超導電路量子比特或離子阱的設備不同。」Lavoie 說。

來自完全可編程光子處理器的高維 GBS。

在實驗中，研究者在一項名為高斯玻色子采樣的任務中測試了 Borealis，用機器分析了其中的隨機數據 patch。高斯玻色子采樣可能有很多實際應用，例如識別哪些分子彼此最適合。

在此前的工作中，九章二號在 144 個壓縮光脈沖中檢測到了多達 113 個光子。這項工作中，Borealis 在其壓縮光脈沖序列中檢測到了多達 219 個光子，而一般水平是 125 個。總而言之，科學家預估，Borealis 執行高斯玻色子采樣的速度可以超過 2021 年世界上最快的傳統超級計算機富岳（Fugaku）的 7.8 萬億倍。

Borealis 的一項關鍵進步是使用了光子數分辨探測器。此前的機器使用的是閾值檢測器，旨在僅區分出「未檢測到光子」和「至少檢測到一個光子」。Lavoie 表示，光子量子計算機可以解決的計算問題的規模隨著它可以檢測到光子數量呈指數增長，因此光子數分辨探測器使得 Borealis 的運行速度達到此前光子量子計算機的 5000 萬倍以上。

Xanadu 讓 Borealis 可供所有人通過云使用。「我們還與合作伙伴合作，使其更廣泛地可用，」Lavoie 說。「我們希望它的公開可用性將激發更多關于量子優勢和一般高斯玻色子采樣的研究。」

Lavoie 表示，Xanadu 未來的研究將完全專注于實現糾錯和最終容錯，以解決量子計算中最有價值的問題。在構建 Borealis 過程中學到的許多技術和經驗教訓，將被納入 [future models] 架構中。