Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage
该论文报告称，九章 3.0 量子计算机通过在 1.27 微秒内完成高达 255 个光子点击事件的高斯玻色采样，实现了显著的量子计算优势，而据估计，使用精确经典算法完成该任务，Frontier 超级计算机需要耗费数十亿年。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在追求构建能够解决超越当今最强大超级计算机处理能力的难题的机器的过程中，科学家们正在探索一种被称为量子采样（quantum sampling）的特定计算类型。想象一下，试图预测一场规则受量子物理学奇异法则支配的复杂游戏的结局，而量子物理学正是描述光和物质在微观尺度下如何行为的科学。在这个领域中，像光子这样的粒子可以同时存在于多种状态中，并以相互干涉的方式相互作用，从而创造出经典计算机无法高效追踪的复杂模式。量子采样的目标是生成这些复杂的的光模式，并验证它们是否符合量子理论的预测。如果一台机器能够比任何可能的经典计算机更快地完成这一任务，它就证明了“量子计算优势”（quantum computational advantage），这是一个里程举，证明量子设备已真正进入了一个全新的能力时代。这不仅仅关乎速度；它关乎验证宇宙的行为方式是否超出了我们目前的经典理解所能轻易模拟的范畴——这一概念已被理论化数十年，但直到最近才在实验室中得到测试。
研究人员现在通过一项涉及名为“九章 3.0”（Jiuzhang 3.0）机器的新实验，进一步推动了这一前沿领域。该设备旨在执行一项称为高斯玻色采样（Gaussian boson sampling）的任务，该任务涉及将光粒子流送入一个由反射镜和分束器组成的复杂网络，然后统计到达出口的粒子数量。研究人员通过使用一种特殊的检测方法升级了他们的装置，这种方法不仅能告知是否有光粒子到达，还能告知在单次爆发中到达了多少个粒子。这使得他们能够在单次运行中记录多达 255 个不同的光粒子事件，这比之前的尝试有了显著提升。通过捕捉如此详尽的信息，团队创建了一个经典计算机极难模仿的采样任务。他们发现，他们的机器仅需 1.27 微秒（即一秒钟的极小部分）即可产生一个此类复杂光模式的样本。形成鲜明对比的是，据他们估计，即使是世界上最强大的超级计算机——名为“Frontier”的计算机，使用最先进的精确方法来生成相同分布的一个理想样本，也需要大约 600 年的时间。
这项工作的意义不仅在于原始速度；更在于团队如何严谨地证明其结果是真正的量子现象，而非经典计算机的一种巧妙伪装。多年来，怀疑论者提出了各种“模拟器”（mockups）或经典模拟方法，试图在不实际使用量子力学的情况下重现这些实验的统计模式。其中一些提出的技巧涉及假设光粒子彼此之间具有轻微的可区分性，或者假设它们的行为类似于某种特定的噪声热光。本研究中的研究人员系统地测试了他们的数据，将其与目前已知的所有最具竞争力的经典模拟模型进行对比，其中包括最近提出的一种“压缩态”（squashed state）模型以及其他旨在利用电路连接限制的模型。通过使用比较数据来自真实量子源还是经典仿冒品的统计检验，他们发现实验结果始终与量子理论保持一致，并与所有经典替代方案表现出强烈的偏离。随着数据集规模的扩大，结果确实为量子的信心不断增加，有效地排除了经典计算机可以伪造结果的可能性。
为了确保研究结果的稳健性，团队还开发了一个更完整的模型，以解释任何现实世界实验中固有的缺陷，例如并非所有的光粒子都是完全相同的这一事实。这个包含了粒子间部分可区分性影响的新模型，比以往任何建模方法都能更好地匹配其实验数据。他们通过分析光粒子在系统中的相关性进一步验证了结果。他们将这些相关性与各种试图通过仅观察整体中局部特征来近似实验的经典算法进行了对比。分析表明，虽然这些经典近似方法可以模仿简单的、低阶的模式，但在面对完整量子系统中存在的复杂、高阶关系时则完全失效。实验数据紧密聚集在量子理论的预测周围，而经典模拟模型则大幅偏离了轨道。
研究人员计算了在超级计算机上模拟其最难实验样本所需的计算成本。对于他们生成的难度最大的样本，他们估计，即使是使用 Frontier 超级计算机，利用精确方法计算出的时间也将远长于宇宙的年龄。这个时间尺度远长于宇宙的寿命，凸显了他们的量子机器在微秒级所实现的成就与经典机器在理论上所能达到的极限之间的巨大鸿沟。通过克服以往检测方法的局限性并针对所有已知的经典反驳进行验证，该团队建立了一个新的量子计算优势基准。他们的工作表明，随着量子系统变得更大、更复杂，它们持续以压倒性的优势超越经典模拟，为量子加速是一个真实且可测量的现象提供了强有力的证据。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。