科技進展

我國在光量子計算領域取得重要突破:態空間維度提高百億倍,波色取樣逼近里程碑

  

     中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與山东11选5上海微系統所超導實驗室尤立星以及德國和荷蘭的科學家合作,在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算,輸出量子態希爾伯特空間的維度達到三百七十萬億(等效于48個量子比特)。這個工作同時在光子數、模式數、計算復雜度和態空間這四個關鍵指標上都大幅超越之前的國際記錄,其中,態空間維度比國際同行之前的光量子計算實驗高百億倍。論文以“編輯推薦”形式近日發表于國際學術權威期刊《物理評論快報》。美國物理學會Physics網站以“玻色取樣量子計算逼近里程碑”為題對該工作做了精選報道。

  量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力,在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面相比經典計算機實現指數級別的加速。當前,研制量子計算機已成為前沿科學的最大挑戰之一,成為世界各國角逐的焦點。其中,量子計算研究的第一個階段性目標是實現“量子計算優越性”(亦譯為“量子霸權”),即研制出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經典的超級計算機。利用超導量子比特實現隨機線路取樣和利用光子實現玻色取樣是目前國際學術界公認的演示量子計算優越性的兩大途徑。

  中國科大研究組利用自主發展的國際最高效率和最高品質單光子源、最大規模和最高透過率的多通道光學干涉儀,結合我所超導實驗室/中國科學院超導電子學卓越創新中心研發的高效率超導納米線單光子探測器SNSPD,成功實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣實驗。與牛津大學、維也納大學、法國國家科學院、布里斯托大學、昆士蘭大學、羅馬大學、麻省理工學院、馬里蘭大學等研究機構的國際同行的類似工作相比,實驗成功操縱的單光子數增加了5倍,模式數增加了5倍,取樣速率提高了6萬倍,輸出態空間維度提高了百億倍。其中,由于多光子高模式特性,輸出態空間達到了三百七十萬億維度,這等效于48個量子比特展開的希爾伯特空間。因此,實驗首次將玻色取樣推進到一個全新的區域:無法通過經典計算機直接全面驗證該波色取樣量子計算原型機,朝著演示量子計算優越性的科學目標邁出了關鍵的一步。

  審稿人指出:這個工作“在解決關鍵問題上邁出了重要幾步(makes essential steps towards solving a critical problem)”、是“令人印象深刻的技術成就(an impressive technological achievement)”、“一個巨大的飛躍(a significant leap)”、“不僅是對光量子計算能力的一次有影響力的測試,更是通往實現量子計算優越性的彈簧跳板(is not only a powerful test of photonic strength but, rather, a trampoline for the upcoming quantum computational supremacy)”。美國物理學會Physics網站對該工作的總結指出:“這意味著量子計算領域的一個里程碑:接近經典計算機不能模擬量子系統的地步( it signifies a milestone in the field of quantum computation: approaching the point where a classical system cannot feasibly mimic a quantum system)”。

  該研究工作得到了自然科學基金委、科技部、山东11选5、教育部、安徽省、上海市科委等單位的支持。

   

  相關鏈接:

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

  美國物理學會報道:https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.250503