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中国科大在光量子计算领域取得重要进展:态空间维数提高百亿倍,玻色取样逼近里程碑
( 2019-12-23 )

  中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星以及德国和荷兰的科学家合作,在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算,输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间,其维数高达三百七十万亿。这个工作同时在光子数、模式数、计算复杂度和态空间这四个关键指标上都大幅超越之前的国际记录,其中,态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍。论文以“编辑推荐”形式近日发表于《物理评论快报》。美国物理学会Physics网站以“玻色取样量子计算逼近里程碑”为题对该工作做了精选报道。



  量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。当前,研制量子计算机已成为前沿科学的最大挑战之一,成为世界各国角逐的焦点。其中,量子计算研究的第一个阶段性目标是实现“量子计算优越性”(亦译为“量子霸权”),即研制出量子计算原型机在特定任务的求解方面超越经典的超级计算机。利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。


  面向这一战略目标,潘建伟、陆朝阳研究组长期致力于可扩展单光子源和玻色取样量子计算的研究。2013年,研究组在国际上首创量子点脉冲共振激发,解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题。2016年,研究组研制了微腔精确耦合的单量子点器件,产生了国际最高效率的全同单光子源,并在此基础上,于2017年初步应用于构建超越早期经典计算能力的针对玻色取样问题的光量子计算原型机,其取样速率比国际上当时的实验提高24000多倍。



  2019年,研究组提出相干双色激发[Nature Physics 15, 941 (2019)]和椭圆微腔耦合[Nature Photonics 13, 770 (2019)]理论方案,在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题,并在窄带和宽带微腔上成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源,相关成果被选为《自然光子学》封面文章。加拿大滑铁卢大学Reimer教授以“The quest for a perfect single-photon source”为题专门对这一成果发表评论文章,指出:“之前,国际上对完美单光子器件的探寻持续了二十年,然而这三项指标从未同时实现过(in the search for a perfect single-photon device, which has spanned over two decades, all three demanding criteria have not yet simultaneously been met)”,“这项开创性的研究是实现完美单光子源的里程碑式成就(groundbreaking research reporting a milestone achievement towards this ideality goal with the realization of a single-photon source)”。



  中国科大研究组利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪,并通过与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星在超导纳米线高效率单光子探测器方面的合作,成功实现了20光子输入60×60模式(60个输入口,60层的线路深度,包括396个分束器和108个反射镜)干涉线路的玻色取样实验。与牛津大学、维也纳大学、法国国家科学院、布里斯托大学、昆士兰大学、罗马大学、麻省理工学院、马里兰大学等研究机构的国际同行的类似工作相比,实验成功操纵的单光子数增加了5倍,模式数增加了5倍,取样速率提高了6万倍,输出态空间维数提高了百亿倍。其中,由于多光子高模式特性,输出态空间达到了三百七十万亿维数,这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。因此,实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域:无法通过经典计算机直接全面验证该波色取样量子计算原型机,朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。



  审稿人指出:这个工作“在解决关键问题上迈出了重要几步(makes essential steps towards solving a critical problem)”、是“令人印象深刻的技术成就(an impressive technological achievement)”、“一个巨大的飞跃(asignificant leap)”、“不仅是对光量子计算能力的一次有影响力的测试,更是通往实现量子计算优越性的弹簧跳板(is not only a powerful test of photonic strength but, rather, a trampoline for the upcoming quantum computational supremacy)”。美国物理学会Physics网站对该工作的总结指出:“这意味着量子计算领域的一个里程碑:接近经典计算机不能模拟量子系统的地步( it signifies a milestone in the field of quantum computation: approaching the point where a classical system cannot feasibly mimic a quantum system)”。


  该研究工作得到了自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省、上海市科委等单位的支持。


  相关链接:


  论文:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.250503


  美国物理学会报道:https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.250503


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