科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

十多年來(lái)，玻色子采樣（一種基于光粒子的量子計(jì)算協(xié)議）一直被視為證明量子計(jì)算優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算的重要里程碑。盡管已有實(shí)驗(yàn)表明玻色子采樣難以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬，但其實(shí)際用途一直尚未明確。日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近日在《光學(xué)量子》期刊上報(bào)告，他們首次將玻色子采樣用于圖像識(shí)別這一關(guān)鍵任務(wù)，為量子人工智能（AI）在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用打開(kāi)了新窗口。

團(tuán)隊(duì)僅使用三個(gè)光子和一個(gè)線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)建出可用于圖像分類的量子AI系統(tǒng)。圖像識(shí)別廣泛應(yīng)用于刑偵分析、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)此次提出的低能耗、混合型量子方法展現(xiàn)出極強(qiáng)潛力，向量子AI的落地邁出關(guān)鍵一步。

玻色子（如光子）遵循玻色—愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)。要理解玻色子采樣的原理，可以想象一個(gè)“彈珠釘板”游戲：把一顆顆彈珠從上方放下，彈珠會(huì)在釘子間碰撞、反彈，最后落到下方的格子里，落點(diǎn)多集中在中間位置，形成一個(gè)類似鐘形的分布圖。但如果把彈珠換成光子，情況就完全不同了。光子不像彈珠那樣只是“撞來(lái)撞去”，它們具有波動(dòng)性，就像水波一樣，可相互疊加、干涉。這種干涉效應(yīng)讓它們?cè)诖┻^(guò)一個(gè)復(fù)雜光學(xué)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，產(chǎn)生出極為復(fù)雜的落點(diǎn)分布，不再是簡(jiǎn)單的對(duì)稱圖形，而是一個(gè)連超級(jí)計(jì)算機(jī)都難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的圖案。

為開(kāi)發(fā)圖像識(shí)別系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型量子AI架構(gòu)。在模擬實(shí)驗(yàn)中，灰度圖像數(shù)據(jù)首先被壓縮處理，并編碼到單光子的量子態(tài)中。隨后，這些光子被注入一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（量子水庫(kù)），在其中干涉形成豐富的高維模式。探測(cè)器記錄光子的輸出位置，反復(fù)采樣形成玻色子采樣的概率分布。最終，這些量子輸出與原始圖像數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的線性分類器進(jìn)行識(shí)別。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在所有測(cè)試圖像數(shù)據(jù)集上均表現(xiàn)優(yōu)異，準(zhǔn)確率顯著高于傳統(tǒng)同規(guī)模的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。