在創造能夠超越經典計算機的量子計算機的競賽中，一種使用光粒子（光子）的方法向前邁出了有希望的一步。中國科學技術大學的潘建偉和陸朝陽及其同事改進了一種稱為玻色子取樣的量子計算技術，在其最終結果中實現了創紀錄的14個探測到的光子。之前的實驗最多隻能探測到五個光子。粒子數量的增加幅度雖小，但卻使“狀態空間”，即計算機系統可以配置的方式的數量，增加了65億倍。狀態空間越大，經典計算機就越不可能執行相同的計算。
該結果報告在一篇論文中，該論文釋出在預印本伺服器arXiv.org上，日期為10月22日，尚未經過同行評審。但如果得到證實，這將是量子計算霸權競賽中的一個重要里程碑——量子計算霸權是一個模糊的目標，定義為量子計算機超越其最佳經典計算機對應物的點。
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在經典計算機中，資訊以二進位制位編碼，因此兩位可以是 00、01、10 或 11。量子計算機可以同時處於每種經典狀態：兩個量子位在被測量之前，有一定機率為 00、01、10和 11；三個量子位有機率處於八種狀態中的任何一種；依此類推。這種資訊的指數級增長說明了為什麼量子計算機在理論上具有如此大的優勢。
在過去幾周，量子計算霸權競賽已經達到了驚人的速度。谷歌的量子計算機執行了一項操作，其科學家聲稱，經典計算機需要 10,000 年才能完成，而量子計算機僅需 200 秒。IBM 的研究人員也在研究量子計算機，他們對此表示懷疑，認為經典計算機可以在三天內解決該問題。
潘和陸在他們的論文中認為，他們的技術是實現量子霸權的另一種可能途徑。“我不確定——這看起來很難，”德克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家斯科特·阿倫森說，他沒有參與這項研究。“但是，你知道，作為玻色子取樣的共同發明人，我很高興看到沿著這條路線也取得了進展。”
玻色子取樣可以被認為是經典裝置豆機的量子版本。在該裝置中，球被投放到一排排釘子上，球在釘子上彈跳，最終落到底部的槽中。球的隨機運動通常導致槽中的正態分佈：大多數球落在中心附近，較少的球落在兩側，並在邊緣逐漸減少。經典計算機可以輕鬆模擬隨機運動來預測此結果。
玻色子取樣用光子代替球，用光學器件（如反射鏡和稜鏡）代替釘子。光子穿過陣列並落在末端的“槽”中，探測器在那裡記錄它們的存在。由於光子的量子特性，僅有 50 或 60 個光子的裝置就可以產生如此多的不同分佈，以至於經典計算機需要數十億年的時間才能預測它們。
但是，玻色子取樣可以透過執行任務本身來預測結果。這樣，該技術既是計算問題，又是可以解決它的量子計算機。
阿倫森和當時他的學生亞歷克斯·阿基波夫在 2010 年提出了玻色子取樣，但它落後於其他使用物理量子位的量子計算方法，例如谷歌和 IBM 採用的技術。部分問題在於其用途有限。“通用計算機可以解決任何不同型別的問題，”路易斯安那州立大學的理論物理學家喬納森·道林說，他沒有參與這項研究。“這個只能解決一個。” 但是，僅僅是比經典計算機更快地解決一個問題，就可以算作量子計算霸權的演示。
賽馬
然而，進行實驗說起來容易做起來難。在 Twitter 上，陸分享了一張照片，展示了他團隊的實驗裝置，一個桌面，上面覆蓋著密密麻麻、閃閃發光的金屬器件的複雜圖案。真正的困難在於計時：團隊需要分別且同時產生單光子。“光子不會互相等待，所以你需要同時生成每個光子，”英國布里斯托大學量子計算博士生亞歷山德拉·莫伊萊特說，她也沒有參與這項工作。
如果光子到達的時間甚至相隔幾萬億分之一秒，它們就會“丟失”。系統中每個光子的增加都會增加光子失步的可能性，因為誤差會累積誤差。丟失的光子越多，經典計算機就越容易模擬光子分佈，你就越遠離量子計算霸權。陸讚揚該團隊將探測到的光子數增加到 14 個，歸功於極其精確的光子源。“那是神奇的成分，”道林說。“否則，他們就無法做到這一點。”
儘管研究人員僅探測到 20 個輸入光子中的 14 個，但這個數字足以生成難以計算的狀態空間。為了理解原因，請考慮簡單的井字棋遊戲，其狀態空間為 19,683，或 39，因為九個方格中的每個方格都有三種可能性：空白格、X 或 O。之前最好的玻色子取樣研究的狀態空間為 15,504，而潘和陸的實驗的狀態空間約為 100 萬億。在 Twitter 帖子中，陸聲稱，在一年內，他的團隊會將光子數量增加到 30 到 50 個之間。
玻色子取樣是否可以擴充套件到實現量子計算霸權仍然不清楚。之前已經出現過許多值得懷疑的說法——有些甚至基於這些說法建立了數百萬美元的企業。“量子霸權就像一場賽馬，你不知道你的馬有多快，你也不知道別人的馬有多快，而且有些馬是山羊，”道林說。但他澄清說，這個結果不是山羊。