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模拟量子计算的实力前景,上交大这次厉害了

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简 介

5月11日Science子刊Science Advances以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”为题发表了上海交通大学金贤敏研究团队最新研究成果,报道了世界最大规模的三维集成光量子芯片,并演示了首个真正空间二维的随机行走量子计算。同时这也是国内首个自主实现的光量子计算芯片。这项研究进展对于推进模拟量子计算机研究、实现“量子霸权”具有重大意义。

近年来,关于通用量子计算机的新闻屡见于报端,IBM、谷歌、英特尔等公司争相宣告实现了更高的量子比特数纪录。但是业界共识是即使做出几十甚至更多量子比特数,如果没有做到全互连、精度不够并且无法进行纠错,通用量子计算仍然无法实现。与之相比,模拟量子计算可以直接构建量子系统,不需要像通用量子计算那样依赖复杂量子纠错。一旦能够制备和控制的量子物理系统达到全新尺度,将可直接用于探索新物理和在特定问题上推进远超经典计算机的绝对计算能力。

模拟量子计算的实力前景

模拟量子计算(analog quantum computing),相对于通用量子计算,有更平易近人的物理实现方式,而且对于玻色采样、搜索、哈密顿量学习、化学模拟等问题上有明显的天然对应方式和加速优势,因此是目前量子信息发展的另一个不可或缺、至关重要的领域。谷歌公司于2017年推出的量子软件OpenFermion便是专攻模拟量子计算。

作为模拟量子计算的一个强有力的工具,二维空间中的量子行走,能够将特定计算任务对应到量子演化空间中的相互耦合系数矩阵中,当量子演化体系能够制备得足够大并且能灵活设计结构时,可以用来实现工程、金融、生物医药等各领域中的各种搜索、优化问题,展现出远优于经典计算机的表现,具有广泛的应用前景。

但是,想要将量子行走真正运用于模拟量子计算来展现量子算法优越性,务必满足两点:足够多的行走路径,及可根据算法需求自由设计的演化空间。以往的量子行走实验受限于所能制备的物理体系的尺寸限制,只能做出几小步演化的原理性演示,且从来不能在真正的空间二维体系中自由演化,远不足以用于模拟量子计算实验。

金贤敏研究组通过飞秒激光直写技术制备集成化三维波导芯片,以波导走向代表连续演化时间,端面形成49×49个节点(即总共2401个节点)的超大演化空间,这样即使是单光子注入,也能实现数以千记的量子行走路径,实验中量子达到至少一百多个行走步径,突破了量子行走实验纪录;同时在演化过程中,光量子在波导之间的耦合强弱也可通过设计波导间距来精确调控。甚至精准波导弯曲、定量引入损耗及等调控技术也在稳步发展中。不断纯熟的集成化波导芯片技术使得量子行走向实际模拟量子计算应用大步靠近。

研究组通过制备PPKTP高亮度单光子源及发展高分辨率ICCD单光子成像技术,观察了光量子的二维行走模式。实验验证量子行走不论在一维还是二维演化空间中,都具有区别于经典随机行走的弹道式传输特性(ballistic transport)。这种加速传输正是支持量子行走能够在许多算法中超越经典计算机的基础。理论曾指出瞬态网络特性(transient network)只在大于一维的量子行走中才实现,而以往准二维量子行走实验由于受限的量子演化空间,无法观测网络传播特征。该研究首次在实验中观测了瞬态网络特性,进一步验证了所实现的量子行走的二维特征。

模拟量子计算的实力前景,上交大这次厉害了

图:单光子的二维量子行走演化结果  从左至右:量子行走演化时间逐渐增大

超大规模光量子计算芯片来之不易

金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备出包含数千节点的三维光量子计算芯片,正是这种超大规模光量子计算芯片使得真正空间二维自由演化的量子行走得以在实验中首次实现,并促进未来更多量子算法的实现。

模拟量子计算的实力前景,上交大这次厉害了

图示芯片中的二十组光子阵列里,每组都包含了2401根波导

而这些超大规模光量子计算芯片,得来实属不易。早在2014年,金贤敏放弃获得英国永居机会,从牛津大学毅然回到上海交通大学从零开始组建量子信息实验室时,就把目标放准了光子芯片的研究方向,从搭建实验室飞秒激光直写平台到不断摸索直写参数,前后花了三年时间,才对每个参数对于波导各项性能的影响以及如何写出需求中的波导性能游刃有余。同时花费两年半时间搭建高亮度单光子源和发展高精度的单光子成像技术,这才使得一个个光子在芯片里二维空间量子行走的演化模式首次观测出来。

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