在创造能够超越经典计算机的量子计算机的竞赛中，一种使用光粒子（光子）的方法向前迈出了有希望的一步。中国科学技术大学的潘建伟和陆朝阳及其同事改进了一种称为玻色子采样的量子计算技术，在其最终结果中实现了创纪录的14个探测到的光子。之前的实验最多只能探测到五个光子。粒子数量的增加幅度虽小，但却使“状态空间”，即计算机系统可以配置的方式的数量，增加了65亿倍。状态空间越大，经典计算机就越不可能执行相同的计算。
该结果报告在一篇论文中，该论文发布在预印本服务器arXiv.org上，日期为10月22日，尚未经过同行评审。但如果得到证实，这将是量子计算霸权竞赛中的一个重要里程碑——量子计算霸权是一个模糊的目标，定义为量子计算机超越其最佳经典计算机对应物的点。
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在经典计算机中，信息以二进制位编码，因此两位可以是 00、01、10 或 11。量子计算机可以同时处于每种经典状态：两个量子位在被测量之前，有一定概率为 00、01、10和 11；三个量子位有概率处于八种状态中的任何一种；依此类推。这种信息的指数级增长说明了为什么量子计算机在理论上具有如此大的优势。
在过去几周，量子计算霸权竞赛已经达到了惊人的速度。谷歌的量子计算机执行了一项操作，其科学家声称，经典计算机需要 10,000 年才能完成，而量子计算机仅需 200 秒。IBM 的研究人员也在研究量子计算机，他们对此表示怀疑，认为经典计算机可以在三天内解决该问题。
潘和陆在他们的论文中认为，他们的技术是实现量子霸权的另一种可能途径。“我不确定——这看起来很难，”德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家斯科特·阿伦森说，他没有参与这项研究。“但是，你知道，作为玻色子采样的共同发明人，我很高兴看到沿着这条路线也取得了进展。”
玻色子采样可以被认为是经典设备豆机的量子版本。在该设备中，球被投放到一排排钉子上，球在钉子上弹跳，最终落到底部的槽中。球的随机运动通常导致槽中的正态分布：大多数球落在中心附近，较少的球落在两侧，并在边缘逐渐减少。经典计算机可以轻松模拟随机运动来预测此结果。
玻色子采样用光子代替球，用光学器件（如反射镜和棱镜）代替钉子。光子穿过阵列并落在末端的“槽”中，探测器在那里记录它们的存在。由于光子的量子特性，仅有 50 或 60 个光子的设备就可以产生如此多的不同分布，以至于经典计算机需要数十亿年的时间才能预测它们。
但是，玻色子采样可以通过执行任务本身来预测结果。这样，该技术既是计算问题，又是可以解决它的量子计算机。
阿伦森和当时他的学生亚历克斯·阿基波夫在 2010 年提出了玻色子采样，但它落后于其他使用物理量子位的量子计算方法，例如谷歌和 IBM 采用的技术。部分问题在于其用途有限。“通用计算机可以解决任何不同类型的问题，”路易斯安那州立大学的理论物理学家乔纳森·道林说，他没有参与这项研究。“这个只能解决一个。” 但是，仅仅是比经典计算机更快地解决一个问题，就可以算作量子计算霸权的演示。
赛马
然而，进行实验说起来容易做起来难。在 Twitter 上，陆分享了一张照片，展示了他团队的实验装置，一个桌面，上面覆盖着密密麻麻、闪闪发光的金属器件的复杂图案。真正的困难在于计时：团队需要分别且同时产生单光子。“光子不会互相等待，所以你需要同时生成每个光子，”英国布里斯托大学量子计算博士生亚历山德拉·莫伊莱特说，她也没有参与这项工作。
如果光子到达的时间甚至相隔几万亿分之一秒，它们就会“丢失”。系统中每个光子的增加都会增加光子失步的可能性，因为误差会累积误差。丢失的光子越多，经典计算机就越容易模拟光子分布，你就越远离量子计算霸权。陆赞扬该团队将探测到的光子数增加到 14 个，归功于极其精确的光子源。“那是神奇的成分，”道林说。“否则，他们就无法做到这一点。”
尽管研究人员仅探测到 20 个输入光子中的 14 个，但这个数字足以生成难以计算的状态空间。为了理解原因，请考虑简单的井字棋游戏，其状态空间为 19,683，或 39，因为九个方格中的每个方格都有三种可能性：空白格、X 或 O。之前最好的玻色子采样研究的状态空间为 15,504，而潘和陆的实验的状态空间约为 100 万亿。在 Twitter 帖子中，陆声称，在一年内，他的团队会将光子数量增加到 30 到 50 个之间。
玻色子采样是否可以扩展到实现量子计算霸权仍然不清楚。之前已经出现过许多值得怀疑的说法——有些甚至基于这些说法建立了数百万美元的企业。“量子霸权就像一场赛马，你不知道你的马有多快，你也不知道别人的马有多快，而且有些马是山羊，”道林说。但他澄清说，这个结果不是山羊。