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上海交大团队实现全球最大规模光量子计算芯片

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继近日阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布成功研制出当前世界最强的量子电路模拟器太章之后,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物理与天文学院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具有重要意义。

量子计算(quantum computation) 的概念最早由阿岗国家实验室的P. Benioff于80年代初期提出,他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算;稍后费曼也对这个问题产生兴趣而着手研究,并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Computation中给了一场演讲,勾勒出以量子现象实现计算的愿景。费曼认为自然界本质上是遵循量子力学的,只有用遵循量子力学的装置,才能更好地模拟它,这个力学装置就是量子模拟器。目前量子模拟器研究中,人们更多关注的是它的量子加速能力,通常情况下,一个量子模拟器所操控的量子比特数越多,它的运算能力就越强。2011年5月11日,加拿大量子计算公司D-Wave于正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”。

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与传统计算机不同,量子计算是使用量子比特来存储数据,并且量子不像半导体只能记录0与1而是可以同时表示多种状态,量子计算的优势在于,一个40位的量子计算机能在很短时间内解开1024位计算机花数十年才能解决的问题。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。

作为模拟量子计算的一个强大算法内核,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,可以用来实现许多算法和计算任务,展现出远优于经典计算机的表现。金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了节点数多达49×49的三维光量子计算芯片,正是这种目前世界最大规模的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,并将促进未来更多以量子行走为内核的量子算法的实现。

研究组通过发展高亮度单光子源和高时空分辨的单光子成像技术,直接观察了光量子的二维行走模式输出结果。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成功观测到了瞬态网络特性,进一步验证了所实现的量子行走的二维特征。

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过去20年里,增加绝对计算能力的方式通常是制备更多光子数的量子纠缠。中国一直在这方面保持优势,成功将光子数从4个提高到了10个,但同时也发现增加光子数异常艰难。金贤敏团队另辟蹊径,通过增加量子演化系统的物理维度和复杂度来提升量子态空间尺度,开发了更加可行的全新量子资源,对于未来模拟量子计算机的研发具有重要意义。

量子信息技术已经经历了广泛的原理性验证,是否能真正走出实验室,走向实用化和产业化,取决于我们是否能够构建和操控足够大规模的量子系统。宏观光学系统中的损耗、稳定性和操控精度等看似技术性问题已变成迈向规模化的瓶颈性难题。发展的光量子集成芯片技术是攻克可扩展性难题有前景的途径,有望有力推动量子信息技术的实质性进展。

金贤敏2010年起在牛津大学Ian Walmsley研究组工作(国际上最早开展光量子信息集成化研究也是最顶尖的小组之一),学习掌握了光量子集成先进技术并合作完成了片上玻色采样量子计算、片上量子隐形传态和片上三光子干涉等一系列研究工作。2014年全职回国组建了“光子集成与量子信息实验室”并成为国内最早开展飞秒激光直写光量子芯片研究的单位之一。经过数年的艰辛努力,终于在光量子芯片的多层技术和集成上实现了超越,成为少有的同时具有光量子芯片制备技术和量子信息研究背景的团队。

必须指出的是,光量子芯片的研发仍然处于早期阶段,仍然需要在损耗、精度和可调控能力等各项指标上,在材料、工艺和混合芯片构架上,以及在与量子计算、量子通信和量子精密测量系统融合上开展大量研究,扎实推进,构建尺度和复杂度上都达到全新水平的光量子系统,实质性地推动新物理的探索和量子信息技术的实用化。

金贤敏表示基于光量子芯片中的大规模量子演化系统,在量子随机行走的问题上超过了经典随机行走的表现。但是要将这种超越付诸于实际应用,还是一个艰难和漫长的过程。 我们可以期待一些原理性的应用,比如将网络节点排序、搜索问题、优化问题等映射到二维空间随机行走的模型,目前我们正在深度挖掘。但可以肯定的是,相比于其他量子计算概念,光量子芯片由于其高集成度和高稳定性,更易构建足够复杂的专用量子计算机,用于解决一些特定实际问题。

该研究得到上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的支持,以及中组部青年千人计划、国家重点研发计划、上海市教委,国防科技大学高性能计算国家重点实验室和上海交大致远学院、物理与天文学院的支持。

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaat3174

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