图 1研究者使用个人电脑重新配置光子量子处理器。

QuiX量子公司和荷兰特温特大学自适应量子光学小组的科学家们已经建造了迄今为止最大的通用光子量子处理器。该处理器的工作原理是，对经过12种模式的光信号进行可调节的相移，然后以可调节的比例合并信号。其制造精度允许单个光子在传播时产生干扰，使处理器能够进行量子操作——尽管目前还没有达到可以超越经典机器的水平。

这种新设备接收12个输入光信号，对它们进行处理，并以光学方式输出结果，所有这些信号都在标准电信波长上。该设备的光子结构——即相移和每个信号合并的比例——决定了处理任务的性质，用户可以通过将其连接到普通个人电脑上重新配置。通过这种方式，可以对该设备进行编程，以执行通过一组特定的光合并和相移步骤实现的任何处理任务。

光子处理器及其精密工程

为了实现这些步骤，该装置使用了一系列光学元件，称为可调移相器和可调光束合并。后者包括两个光束合并，将两对输入光束以相等的比例合并，再加上一个可调移相器。制造系统可重构的关键是因此有完全控制处理器的光子电路中的相移,其中每个阶段的换档器是一个加热器,诱发一个调优和特定的有效路径长度的变化通过光信号通过一个称为热光效应的现象。

通过满足对12种模式的一系列技术要求，从高质量的微制造光子波导(光路)到提供稳定光子电路温度的快速机制，该团队通过一种可编程的配置，创造了一项可以处理量子光输入(如单光子输入)的芯片模式数量的记录。换句话说，在处理器内丢失单个光子的概率很低，而且，注入处理器不同输入的相同的单个光子在输出时不会出现不同。这些结果已经发表在《量子技术材料》上。

描述处理器的特征

为了量化处理器的可重构性，该团队改变了处理器的配置，并使用激光(提供经典输入)和光电探测器对其进行了测试。通过比较测试中得到的配置和期望的配置，他们发现“振幅保真度”——不同配置之间的相似性度量——约为93%，对于一些目标配置可延伸至98%。

研究人员还评估了处理器在相同的输入-输出设置下的光损耗。他们发现，尽管在输入和输出连接器上有大量的额外损耗，但这一比例平均低至17%。最后，他们描述了处理器保持单个光子相同性质的能力。研究小组通过同时注入两个相同的单光子，并在与输出信号相连的单光子探测器上观察到一种被称为Hong-Ou-Mandel干涉的现象来实现这一目标。他们发现，芯片上的干扰与两个注入的单光子的芯片外干扰具有相同的可见性——这意味着芯片输出端的单光子与输入端的单光子是相同的。

下一步

虽然这种处理器原则上可以构成高效通用光学量子计算机的核心，但制造这种计算机所需的其他设备对技术的要求要高得多。然而，在一个已知的计算问题上，这种性质的处理器可以在没有更高级设备的情况下胜过经典计算机(称为“量子霸权”或“量子优先”)。这个问题被称为玻色子采样，它涉及在一个特殊的场景中预测处理器本身的输出。

为了理解玻色子采样的工作原理，考虑一下如果我们将一些相同的单光子注入处理器会发生什么。光子通过处理器传播并出现在输出处，在那里它们被单光子探测器检测到。但是哪个探测器能找到光子呢?这个问题本质上是不可能回答的。即使输入和配置完全相同，每次我们运行实验时，不同的探测器将在输出处被激活。尽管如此，如果我们多次运行这个实验，我们可以准备统计样本来表示不同检测事件的概率。从计算的角度来看，这里有趣的一点是，对于足够多的模式，经典计算机不能有效地准备这些统计样本(或计算检测事件的概率分布函数)。

2020年，由中国科学技术大学的潘建伟和陆朝阳领导的研究人员使用他们自己的光子器件，在类似问题上展示了量子优势。然而，中国科大团队的设备与本研究中描述的处理器在一个关键方面有所不同。QuiX Quantum公司和Twente大学的物理学家Jelmer Renema解释说:“2020年论文的作者在他们的原理证明实验中使用了一个静态设备。”“我们以这个结果为基础，实现了完全的可重构性。”

Renema继续解释说，虽然他和他的同事开发的系统可以运行玻色子采样实验，“量子霸权不会出现在12种模式下”。尽管如此，他和由Pepijn Pinkse领导的研究小组的其他成员正在开发处理器。“我们正在努力改善系统的规格，比如减少光学损耗，此外，还在增加模式的数量。我们希望在2022年推出一款拥有50种模式的处理器。”