中科大實現(xiàn)復(fù)雜度達48個量子比特的玻色取樣量子計算

演示量子計算優(yōu)越性目前有兩種途徑：利用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)隨機線路取樣和利用光子實現(xiàn)玻色取樣。

在第二種路線上，中科大團隊一直保持國際領(lǐng)先，近期實現(xiàn)了 20 光子輸入 60×60 模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達三百七十萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于 48 個量子比特，逼近谷歌最近報道的 53 個超導(dǎo)量子比特。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星以及德國和荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實現(xiàn)了 20 光子輸入 60×60 模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出了復(fù)雜度相當(dāng)于 48 個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，其維數(shù)高達三百七十萬億。

這個工作同時在光子數(shù)、模式數(shù)、計算復(fù)雜度和態(tài)空間這四個關(guān)鍵指標(biāo)上都大幅超越之前的國際記錄。其中，態(tài)空間維數(shù)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(fā)表于國際學(xué)術(shù)權(quán)威期刊《物理評論快報》。美國物理學(xué)會 Physics 網(wǎng)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(jīng)濟價值的問題方面相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

當(dāng)前，研制量子計算機已成為前沿科學(xué)的最大挑戰(zhàn)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(biāo)是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”（亦譯為“量子霸權(quán)”），即研制出量子計算原型機在特定任務(wù)的求解方面超越經(jīng)典的超級計算機。利用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)隨機線路取樣和利用光子實現(xiàn)玻色取樣是目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計算優(yōu)越性的兩大途徑。

面向這一戰(zhàn)略目標(biāo)，潘建偉、陸朝陽研究組長期致力于可擴展單光子源和玻色取樣量子計算的研究。

2013 年，研究組在國際上首創(chuàng)量子點脈沖共振激發(fā)，解決了單光子源的確定性和高品質(zhì)這兩個基本問題。

2016 年，研究組研制了微腔精確耦合的單量子點器件，產(chǎn)生了國際最高效率的全同單光子源，并在此基礎(chǔ)上，于 2017 年初步應(yīng)用于構(gòu)建超越早期經(jīng)典計算能力的針對波色取樣問題的光量子計算原型機，其取樣速率比國際上當(dāng)時的實驗提高 24000 多倍。

2019 年，研究組提出相干雙色激發(fā)[Nature Physics 15, 941 (2019)]和橢圓微腔耦合[Nature Photonics 13, 770 (2019)]理論方案，在實驗上同時解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個最后的難題，并在窄帶和寬帶微腔上成功研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，相關(guān)成果被選為《自然光子學(xué)》封面文章。加拿大滑鐵盧大學(xué) Reimer 教授指出，這項開創(chuàng)性的研究是實現(xiàn)完美單光子源的里程碑式成就。

中國科大研究組利用自主發(fā)展的國際最高效率和最高品質(zhì)單光子源、最大規(guī)模和最高透過率的多通道光學(xué)干涉儀，并通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星在超導(dǎo)納米線高效率單光子探測器方面的合作，成功實現(xiàn)了 20 光子輸入 60×60 模式（60 個輸入口，60 層的線路深度，包括 396 個分束器和 108 個反射鏡）干涉線路的玻色取樣實驗。

與牛津大學(xué)、維也納大學(xué)、法國國家科學(xué)院、布里斯托大學(xué)、昆士蘭大學(xué)、羅馬大學(xué)、麻省理工學(xué)院、馬里蘭大學(xué)等研究機構(gòu)的國際同行的類似工作相比，實驗成功操縱的單光子數(shù)增加了 5 倍，模式數(shù)增加了 5 倍，取樣速率提高了 6 萬倍，輸出態(tài)空間維數(shù)提高了百億倍。其中，由于多光子高模式特性，輸出態(tài)空間達到了三百七十萬億維數(shù)，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(qū)域：無法通過經(jīng)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(yōu)越性的科學(xué)目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。

審稿人指出：這個工作“在解決關(guān)鍵問題上邁出了重要幾步”，是“令人印象深刻的技術(shù)成就”、“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(xiàn)量子計算優(yōu)越性的彈簧跳板”。

美國物理學(xué)會 Physics 網(wǎng)站對該工作的總結(jié)指出：“這意味著量子計算領(lǐng)域的一個里程碑：接近經(jīng)典計算機不能模擬量子系統(tǒng)的地步?！?/p>

該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省、上海市科委等單位的支持。