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中国科学家在基于光和超导体系的量子计算机研究方面取得系列重要进展
( 2017-05-03 )

  近日,中国科大潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得系列重要进展。在光学体系,研究团队在去年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,利用高品质量子点单光子源构建了用于玻色取样的多光子可编程量子计算原型机,首次演示了超越早期经典计算机(ENIAC、TRADIC)的量子计算能力。在超导体系,研究团队打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公开报道的九个超导量子比特的操纵,首次实现了十个超导量子比特的纠缠,并在此基础上实现了快速求解线性方程组的量子算法。系列成果已由国际权威学术期刊《自然光子学》《物理评论快报》发表或接收。

  量子计算利用量子相干叠加原理,在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。例如,一台操纵50个微观粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力可超过超级计算机。发展量子计算技术的主要挑战是通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术,实现规模化量子比特的相干操纵。根据各物理体系内在优势及其在实现多粒子相干操纵和纠缠方面的发展现状和潜力,目前,国际学术界在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算和量子模拟技术发展上总体领先。由于量子计算的巨大潜在价值,欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源,开展协同攻关;同时,大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也纷纷强势介入量子计算研究。

  多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点,一直是国际角逐的焦点。在光子体系,潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平,并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上,团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源,通过电控可编程的光量子线路,构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。实验测试表明,该原型机的“玻色取样”速度不仅比国际同行之前类似的所有实验加快至少24000倍;同时,通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍。5月2日,该研究成果以长文的形式在线发表于《自然光子学》。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。朝着这个目标,潘建伟研究团队将计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵。

  在超导体系,2015年,谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个记录在2017年被中国科学家团队首次打破。朱晓波、王浩华和陆朝阳、潘建伟等合作,自主研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠方案,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。进一步,研究团队利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法,证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性(成果即将发表于《物理评论快报》)。研究团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试,并计划于今年年底前发布面向公众的量子云计算平台。

  上述工作由中国科学技术大学、浙江大学、中科院物理所等协同完成,系列工作得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部2011计划等的资助。

(量子信息和量子科技前沿协同创新中心)

  附相关链接:

1.首次实现超越早期经典计算机的多光子波色取样论文:http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html

2.首次实现10个超导量子比特的纠缠:https://arxiv.org/abs/1703.10302
英国物理学会Physics World报道:http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/apr/13/ten-superconducting-qubits-entangled-by-physicists-in-china

3.利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法:https://arxiv.org/abs/1703.06613,已被Phys. Rev. Lett. 接收。

4.实现时间编码和电控可编程的光量子线路:https://arxiv.org/abs/1603.04127,已被Phys. Rev. Lett. 接收。


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