量子计算机是一种在量子力学硬件上运行的新型机器,并且预计在解决某些问题方面具有巨大的速度优势。

 

包括谷歌,微软和IBM在内的一流大学和公司的研究小组是全球竞争中实现第一台跨越“量子计算奇点”的量子计算机的一部分。这代表了一个如此复杂的问题,以至于今天的顶级超级计算机需要几个世纪才能找到解决方案,而量子计算机可以在几分钟内破解它。

现在,来自布里斯托尔的一组科学家发现,这个奇点的边界比以前认为的更远。该研究报告于本周在自然物理学报上发表。

科技前沿:科学家们确定了量子计算机的奇异性-量子客
玻色-爱因斯坦凝聚物的计算机模型,显示出它的一些波浪状性质

这些结果适用于一种极具影响力的量子算法,称为“玻色子采样”,它被设计为一种非常直接的途径,可以证明量子计算在经典机器上的优势。

玻色子采样问题旨在通过光学芯片控制的光子(光粒子)来解决-这是布里斯托尔量子工程和技术实验室(QETLabs)开创的技术。

预测从大型光学芯片出现的许多光子的模式与极其困难的随机矩阵计算有关。

随着量子技术的快速发展,仿佛进入量子计算奇点的玻色子采样实验似乎已经触手可及。然而,布里斯托尔团队能够重新设计一个古老的经典算法来模拟玻色子采样,并产生严重后果。

QETLabs负责人并领导这项研究的Anthony Laing博士说:“这就像调整旧的螺旋桨飞机比早期的喷气式飞机更快。

“我们正处于历史的某个时刻,经典算法仍有可能超越我们期望最终超音速的量子算法。

“但展示这样的壮举意味着组建一支由科学家,数学家和程序员组成的精锐团队。”

来自布里斯托尔计算机科学系的经典算法专家RaphalClifford博士重新设计了几种经典算法来攻击玻色子采样问题,1950年代的Metropolised Independence Sampling算法提供了最佳性能。

 

模拟代码由QETLabs研究员'EJ'优化,后者是LucasArts的前程序员。计算复杂性的专业知识来自布里斯托尔数学学院的Ashley Montanaro博士,而QETLabs学生Chris Sparrow和Patrick Birchall则研究了竞争量子光子技术的预期性能。

QETLabs的博士生和论文的第一作者Alex Neville负责测试,实施,比较和分析了所有这些算法。

他说:“迄今为止报道的最大玻色子取样实验是针对五个光子。

“据信,30甚至20个光子足以证明量子计算至上。”

然而,他能够在自己的笔记本电脑上模拟20个光子的玻色子采样,并通过部门服务器将模拟尺寸增加到30个光子。亚历克斯补充说:“通过使用当今最强大的超级计算机,我们可以模拟50个光子的玻色子采样。”

该研究建立在布里斯托尔作为量子科学活动中心和量子技术发展的声誉之上。

通过QETLabs,该大学开始实施一项雄心勃勃的计划,将量子技术带出实验室,并将其设计为有用的设备,这些设备具有解决社会最棘手问题的实际应用。

除了与微软,谷歌和诺基亚等科技公司的合作外,布里斯托尔还出现了以量子技术为重点的初创企业和新业务活动。

整个量子研究活动的一个重要主题是发展我们对量子技术如何可以证明优于传统计算机的理解。

最近,Montanaro博士与数学学院的Noah Linden教授一起组建了一个关于量子计算至上主题的海尔布隆重点研究小组。

这次会议将来自工业界和学术界的一些世界领导者带到布里斯托尔进行为期一周的激烈讨论和合作。与会者中有一位设计了玻色子取样的理论家,来自UT Austin的Scott Aaronson教授。

尽管表现优于传统计算机的时间可能比原先希望的要长一些,但Laing博士仍然对构建设备的前景持乐观态度。他说:“我们现在对于必须满足的技术挑战有一个坚实的想法,以证明量子机器可以超越它们的经典对应物。对于玻色子采样,奇点仅仅超过50个光子。它比我们更难以破解首先想到,但我们仍然看中机会。“

由于Laing博士的研究小组专注于量子技术的实际应用,目前的工作限制了光子器件的尺寸和复杂性,这些光子器件将需要解决超出当今经典算法能力的工业相关问题。