Science 中科大光量子计算机 突破与局限

Science 中科大光量子计算机 突破与局限

撰文：存在一棵树

IF=41.845

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点

实现76光子的“九章”量子计算机，在玻色子采样这一领域证明与传统计算机相比有巨大优势倍，其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成绩也将中国的量子计算推进到世界领先水平。引用德国马普所所长 沃尔夫奖得主 富兰克林奖章得主Ignacio Cirac的话：“这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。我相信这项成果背后付出了巨大的技术努力。潘教授的团队在世界上独一无二的，他们产生了包括这个实验在内的很多重大成果。”

量子计算由于其计算能力随量子数指数增长，被认为是最有希望大幅突破现有计算机硬件框架的下一代计算设备，有希望在密码解码，加密通讯，人工智能，分子模拟等领域产生重大而深远的影响，对区块链金融，类脑计算，新材料，制药等领域专业人士都应该关注。

虽然通用型的量子计算前景广阔，但是学界普遍认为要实现有广泛实际用途的量子计算还需要有理论与技术上的重大突破。一方面维持量子的纠缠状态极为困难，使得系统的扩展难度相比传统计算机困难很多；另一方面，我们对量子系统的控制能力还很有限，包括“九章”量子计算机在内的现有量子计算机都只能实现一些特殊的应用。

2020年12月4日凌晨3点，中国科学技术大学合肥微尺度国家科学物理实验室和现代物理系的潘建伟教授与陆朝阳教授及其团队在《Science》上发表名为 “Quantum computational advantage using photons”的文章。该研究团队宣布其实现了76光子的量子计算机，并将该量子计算机命名为“九章”，以纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

理查德·费曼（Richard Feynman）指出，由于量子态希尔伯特空间的大小呈指数增长，传统计算机很难解决多体量子问题，并提出量子计算机的解决方案。最近在53量子位处理器上进行了一项实验，使用该处理器可在200s内产生100万个噪声样本，而一台超级计算机则需要10,000年，但该处理器的快速处理优势依赖于大样本且不具备存储优势。由Aaronson和Arkhipov提出的玻色子采样可实现量子计算优势，玻色子采样器使用的光子可以在室温下运行，且去相干性很强，其通过将非经典光注入线性光学网络，在输出高度随机的情况下，用单光子检测器测量光子数和路纠缠态。但纠缠态的维数随光子数和模数呈指数增长，从而使得量子概率振幅的存储成为不可能，难以展开大规模实施。

高斯玻色子采样（GBS）作为玻色子采样的新模式，不仅能够提供高效的方法来大规模实施，而且在基于图形和量子化学的问题中也有潜在的应用。GBS充分利用PDC光源的高斯特性，利用单模压缩态(SMSS)作为可稳定制备的输入非经典光源，而非单光子。尽管最近可实施高达5个光子的小规模GBS演示，但实现大规模GBS依旧面临着四项重大挑战：1）需要同时具有足够高的压缩参数、光子不可分辨性和收集效率的SMSS阵列；2）大型干涉仪需要同时具有完全的连通性、矩阵随机性、近乎完美的波包重叠和相位稳定性以及近乎统一的传输速率；3）GBS要求对SMSS中所有光子数状态进行相位控制；4）需要高效检测器来采样输出分布；5）最后对从大输出状态空间中获得的稀疏样本进行验证，并且对其性能进行基准测试并与超级计算机进行比较。

如图1所示为“九章”量子计算机的量子光源阵列。250 kHz的重复频率、1.4 W的平均功率的限制转换的激光脉冲被分成13条路径并聚焦在25个PPKTP晶体上，生成了25个双模压缩状态(TMSSs)，相当于使用混合编码的50个SMSS；PPKTP晶体经过设计和温度控制产生简并无频率相关的光子对，预测光谱纯度为0.98，使用12nm的过滤器后纯度提高到0.99；实施测得的纯度平均值为0.938，与预测纯度相比下降的主要原因是自相位调制，平均收集效率为0.628。

如图2所示，整个光学装置，从25个PPKTP到100模式干涉仪，都必须在各种环境扰动的情况下锁定到固定相位，为此该研究团队开发了主动锁相功能，并在干涉仪内部开发了无源稳定装置。图中显示了观察到的相位稳定性的典型时间轨迹，该曲线以标准偏差0.04 rad（0.5nm）锁定了776 nm激光器的相位；对于干涉仪内部的无源稳定，其达到可在3.5h内将漂移控制在λ/180内；而对于整个系统，在1小时内高频噪声标准偏差为λ/ 350，低频漂移为λ/ 63，足以完成采样和表征；该团队估计由于相位不稳定导致的光子干涉可见性下降小于1%。除此之外，该研究团队利用光子的空间和偏振自由度来实现100×100的酉变换，同时为50空间模式干涉仪开发了一个紧凑的三维设计，由300个分束器和75个反射镜组成，实现了近乎完美的相位稳定性、波包重叠、完全连通性、随机矩阵和近乎统一的传输速率。与仅通过干涉仪给出采样矩阵的Aaronson-Arkhipov玻色子采样相反，GBS矩阵既吸收了干涉仪的单位变换，又吸收了高斯输入状态的压缩参数和相位。

随后，该研究团队进行了GBS的实验验证。其结果如图3所示，首先是用三对输入TMSSs和输出的双光子点击进行测试，对于理想的玻色子采样器，保真度应等于1，距离应为0，而GBS测得的平均保真度和距离为0.990和0.103，证实了GBS正常工作；接下来使用25个TMSS输入，使用阈值检测器的输出光子数分布，其平均点击次数是43次，其结果是在200秒内获得了3,097,810个43光子重合事件和一个76光子重合事件，该实验结果达到10 30，比使用超导量子位和单光子大14和16个数量级。尽管由于采样问题的性质，无法对结果进行全面验证，但该研究团队通过以下不同方式提供有力的证据，证明大型GBS在达到量子优势时仍将继续受量子力学的控制。首先是使用热光和可区分的SMSS将获得的输出分布与假设进行比较；其次是对两点进行相关性研究；第三则是开发了一种称为重负荷发电（HOG）比率测试的方法，对更大点击数量的模式进行推断；最后则是排除玻色子采样输出与统一的随机结果在操作上是无法区分的假设。

最后，该研究团队在使用高度优化的算法在双威TaihuLight上对GBS进行了基准测试，并对模拟理想的GBS设备的经典计算成本进行了估算。如图4所示，即估计TaihuLight（Fugaku）使用GBS设备在200 s内生成相同数量的样本所需的时间成本为8×10 16 s（2×10 16s ），等于2.5（0.6）十亿年。该研究团队希望这项工作将激发新的理论努力，以定量表征大规模GBS，改进经典模拟策略优化的现实参数，并挑战量子计算优势~1014。

教授介绍

潘建伟，1970年3月生，浙江东阳人。1999年获奥地利维也纳大学实验物理博士学位。中国科学技术大学教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，奥地利科学院外籍院士，中科院量子信息与量子科技创新研究院院长，中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家。主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。作为国际上量子信息实验研究领域的开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家。利用量子光学手段，他在量子调控领域取得了一系列有重要意义的研究成果，尤其是他关于量子通信和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。

参考文献

1、Zhong, Han-Sen et al. “Quantum computationaladvantage using photons.” Science (New York, N.Y.), eabe8770. 3 Dec. 2020.

以上就是（Science 中科大光量子计算机 突破与局限）全部内容，收藏起来下次访问不迷路！