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科研進展

2021年10月26日
中國科大成功研制113個光子的“九章二號”量子計算原型機

愛游戲app中科院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作,發展了量子光源受激放大的理論和實驗方法,構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”,并實現了相位可編程功能,完成了對用于演示“量子計算優越性”的高斯玻色取樣任務的快速求解。根據現已正式發表的最優經典算法理論,“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快1024倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術水平,進一步提供了量子計算加速的實驗證據。相關論文于2021年10月26日以“編輯推薦”的形式發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。著名量子物理學家、加拿大Calgary大學教授Barry Sanders同時受邀在Physics網站上謄寫長篇評述文章,稱贊該工作是“令人激動的實驗杰作”(dramatic tour de force.....),“令人印象深刻的最前沿的進步”(an impressive advance over the state-of-the-art)

圖(tu)(tu)1:九章二號整體裝(zhuang)置圖(tu)(tu)(制圖(tu)(tu):陸(lu)朝陽(yang),彭禮超)

量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機在原理(li)上(shang)可(ke)通過特定算(suan)(suan)法在一(yi)些具有(you)重(zhong)大(da)社會和(he)經濟價值(zhi)的(de)問(wen)題方面(mian),獲得(de)比經典計(ji)(ji)算(suan)(suan)機更強的(de)算(suan)(suan)力(li)。早(zao)在1981年,費曼就提出了量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)的(de)初步(bu)想法。大(da)規(gui)模量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機的(de)物理(li)實(shi)現是世界科技前沿的(de)重(zhong)大(da)挑戰之(zhi)一(yi)。對(dui)于研制(zhi)容(rong)錯的(de)通用量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan),因其苛刻的(de)容(rong)錯閾值(zhi)和(he)大(da)規(gui)模的(de)量(liang)子(zi)(zi)比特數(shu)目(mu),離(li)目(mu)前人類的(de)科技發展水平尚有(you)不小(xiao)的(de)差距。

因此,實現對于(yu)量(liang)(liang)子計(ji)算(suan)的(de)物(wu)理實現,國際學(xue)(xue)術界采取(qu)三步走的(de)路線(xian)圖。其(qi)中,第(di)一個里程碑,在學(xue)(xue)術上被稱(cheng)為“量(liang)(liang)子計(ji)算(suan)優越性”,其(qi)含(han)義是通過高(gao)(gao)精度地(di)操縱近(jin)百(bai)個物(wu)理比特(te),用來高(gao)(gao)效地(di)解決超級計(ji)算(suan)機都無法(fa)在合(he)理時間內解決的(de)特(te)定的(de)高(gao)(gao)復(fu)雜度數(shu)學(xue)(xue)問題,從實驗上確(que)鑿地(di)證明(ming)四十年前費曼所提(ti)出來地(di)量(liang)(liang)子計(ji)算(suan)加速設想,并(bing)挑戰(zhan)“擴展(zhan)的(de)丘奇—圖靈論題”。

圖2:九章二號144模式干(gan)涉儀(部分)實(shi)驗(yan)照片(pian)(攝影:馬瀟漢,楊建(jian)瑞,李豐(feng),鄧(deng)宇(yu)皓)

基于光子的玻色取樣和基于超導比特的隨機線路取樣是實驗展示量子計算優越性的兩個重要方案。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領先水平。2017年,該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算原型機。2019年,團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源,實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣,輸出希爾伯特態空間維度達到1014,逼近了“量子計算優越性”。

2020年,潘建偉團隊成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”,輸出量子態空間規模達到了1030,處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍,同時克服了谷歌基于“懸鈴木”超導處理器的隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。“九章”實驗完成后,在理論提出玻色取樣算法和證明計算復雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國際計算機協會頒發的ACM Prize in Computing。

2021年,團隊在“九章”的基礎上,進行了一系列概念和技術創新。受到激光—“受激輻射光放大”概念的啟發,研究人員設計并實現了受激雙模量子壓縮光源,顯著提高了量子光源的產率、品質和收集效率。其次,通過三維集成和收集光路的緊湊設計,多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此,“九章二號”探測到的光子數增加到了113個,輸出態空間維度達到了1043。進一步,通過動態調節壓縮光的相位,研究人員實現了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置,演示了“九章二號”可用于求解不同參數數學問題的編程能力。根據目前已正式發表的最優化經典算法,“九章二號”在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比最快的超級計算機快億億億倍。

圖3:論(lun)文數據圖。a圖表(biao)示輸出(chu)態(tai)空間的維度。b圖表(biao)示光量子計算原型(xing)機(ji)相比超(chao)算的優勢倍數。

研究人(ren)員希望這個工(gong)作能夠繼續激發更(geng)多的(de)(de)(de)經典算法模擬方面的(de)(de)(de)工(gong)作,也預計(ji)(ji)將來(lai)會有提升(sheng)的(de)(de)(de)空間。量子優越性研究并(bing)不是一(yi)個一(yi)蹴(cu)而就的(de)(de)(de)工(gong)作,而是更(geng)快的(de)(de)(de)經典算法和不斷提升(sheng)的(de)(de)(de)量子計(ji)(ji)算硬件之(zhi)間的(de)(de)(de)競(jing)爭,但最終(zhong)量子并(bing)行性會產生經典計(ji)(ji)算機無法企及的(de)(de)(de)算力(li)。

該論文第一作(zuo)者(zhe)是(shi)博士研究生鐘翰森、鄧宇(yu)皓、覃儉。上(shang)述項目受(shou)到了安徽(hui)省(sheng)、上(shang)海(hai)市(shi)、科技部、中科院和基金委的支持。

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(微尺度物(wu)質(zhi)科(ke)學國(guo)家研(yan)究(jiu)中心(xin)、中科(ke)院量子信(xin)息與量子科(ke)技(ji)創新研(yan)究(jiu)院、科(ke)研(yan)部)

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