九章 vs Xanadu！谁才是最强光量子计算机

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

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光子盒研究院出品

上周，美国国家标准技术研究院（NIST）和加拿大量子计算初创公司Xanadu宣布，他们已经开发了动态可编程的全栈光量子计算机，并对三种量子算法进行了原理证明：高斯玻色取样、分子振动光谱和图形相似性。

这被认为是光量子计算机的里程碑，因此，难免会有人将其与中国的“九章”光量子计算机进行比较。实际上，通过技术参数和性能指标的对比，不难得出答案。

NIST和Xanadu的研究人员在一个氮化硅芯片上构建了光路，该芯片与半导体工业使用的制造工艺兼容。首先，他们利用了四波混频（FWM）效应，使芯片上四个微米大小的光学环形谐振器，每一个都产生了一个压缩态。

他们通过在芯片上刻蚀光波导来实现光的传播和干涉。分束器网络是完全可控的，远程用户可以通过云端重新编程。随后，网络的输出被导向四个光子计数探测器，这些探测器产生的样本被发送给远程用户。

实验示意图

研究人员进行了不同类型的测量来表征压缩光源的质量和芯片的整体性能。首先，他们测量了压缩态相对于普通态的不确定性抑制约为84%。其次，他们测量了态的时间纯度（这是网络中成功干涉的关键特性）为85%。第三，他们仔细测试了干涉的质量。最后，他们以非经典性为标准进行测试，验证了生成的样本具有真正的量子性质——当设备扩展后可以产生用经典计算机无法模拟的样本。

根据Nature的报道：“除了用来证明量子优势的取样算法外，研究人员还实现了两种更具实用性的算法：一种是确定分子状态间跃迁的能谱，另一种是发现代表不同分子的数学图形之间的相似性。通过将特定问题编码到压缩态和分束器网络中，然后使用生成的样本来估计分子光谱或对图形进行分类，实现了这一壮举。”

他们还与“九章”进行了对比。Nature的报道引用去年12月潘建伟、陆朝阳等人发表的关于“九章”实现量子计算优势的论文称，“先前实验的光路是不可重构的，因此只能执行单一的随机算法。与此形成鲜明对比的是，Xanadu的光路是可编程的，并且可能具有高度的可扩展性。”

关于九章和Xanadu光量子计算机的性能，下表进行了全方位的对比。单纯从技术参数和性能指标上来看，九章比Xanadu具有碾压式的优势，光子数多58个（见下表“探测到的最大光子数”），等效计算速度快10¹⁷，态空间大10¹⁹（见下表“希尔伯特空间”），在玻色取样问题上取得了“量子优越性”。

九章&Xanadu技术参数和性能指标

在实验中，Xanadu用于编程的X8芯片具有两个独立的4模式（相当于8量子比特），而九章具有100个模式。

Xanadu的优势在于比九章的体积要小，编程范围比九章要大。据九章论文通讯作者陆朝阳教授向光子盒透露，去年12月份发布的“九章”可以通过调节压缩光的幅度和相位，实现部分编程，但相应地，Xanadu的光量子计算机如果想在性能上和九章匹敌，还需要很长的时间。

Xanadu的文章中称这是第一版本，最终目标仍然是“达到量子优越性”。

九章和Xanadu是两条不同的光量子计算机的研究道路：第一是可以完全编程，但需要在性能上做出让步，无法实现量子的优越性，但当前的编程能力也比不过经典计算机；第二是先实现部分编程，在某些特定问题上比经典计算机快百万亿倍，再实现完全编程。

Xanadu选择了第一条，而九章是第二条。

为了完全编程，在性能上做出让步，符合Xanadu作为商业公司的选择，因为公司背后的投资人最在乎的就是“这台机器可以用来做什么”。

总部位于加拿大多伦多的Xanadu成立于2016年，由首席执行官Christian Weedbrook发起。至今融资4100美元，并且获得加拿大可持续发展技术中心（SDTC）440万美元的资助，以及美国DARPA的资助。目前正在寻求一轮1亿美元的融资。

这是一家商业化气息浓厚的公司，例如，他们办了一个网上商城，销售带有Xanadu公司logo的T恤衫，售价24美元。一件连帽衫售价40美元。

近年来，Xanadu在软件、硬件和云等方面都取得了突破。

软件方面，Xanadu发布了Strawberry Fields，这是该公司开源的一个用于光量子计算的全栈量子软件平台，其最大的特点是这是一个基于TensorFlow的框架，将深度学习和机器学习的最新进展与量子计算进行了结合。

Xanadu还从事机器学习方面的研究，并推出了号称第一款用于量子计算机的专用机器学习软件PennyLane。该软件集成了多个供应商的量子计算硬件和软件，除Xanadu外，包括IBM、AWS、谷歌、Rigetti和AQT，以及TensorFlow和PyTorch等机器学习库。

硬件方面，2020年9月Xanadu推出了三款光量子计算机，分别为8模式、12模式和24模式。Xanadu称这是首款可在室温下运行的量子计算机。下表是三款QPU的主要参数：

与硬件同时推出的还有Xanadu量子云平台，并称是全球首个光量子计算云平台。Xanadu希望量子云能够让企业、开发者和研究人员为金融、量子化学、机器学习和图像分析等领域的问题建立新的解决方案。而要实现这一目标，就必须可编程。

值得一提的是，Xanadu发起了一个名为Residency Program的量子机器学习训练营，将于今年5月开营。这一为期16周的暑期项目面向物理学、计算机科学和工程学的研究生和本科生。

在2020年9月推出首款硬件后，Xanadu开始寻求一轮1亿美元的融资。

相比之下，另一家公司PsiQuantum更加财大气粗，他们在2020年获得了由微软参投的2.15亿美元融资。PsiQ的目标是跳过NISQ阶段，直接建造一台拥有100万个量子比特的容错通用量子计算机，承诺期限是2025年。

与这些商业公司相比，九章的成本则要低得多。据陆朝阳教授透露，九章量子优越性实验的成本在3000万元左右，与之对应的是，谷歌5年大概花费了5-10亿美元。

目前，九章二号正在研制之中，成本仅需增加30%，而预计性能至少可再提升数百万倍，并计划于今年年底前接入量子计算云平台。届时，用户将真正体验九章的量子计算能力。

Xanadu论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03202-1

九章论文链接：

https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abe8770

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