中國科大在光量子計算領域取得重要進展：態空間維數提高百億倍，玻色取樣逼近里程碑_風聞

來源：中國科學技術大學

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與中科院上海微系統與信息技術研究所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，輸出了複雜度相當於48個量子比特的希爾伯特態空間，其維數高達三百七十萬億。這個工作同時在光子數、模式數、計算複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，態空間維數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”形式近日發表於《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並行計算能力，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，研製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”），即研製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。

面向這一戰略目標，潘建偉、陸朝陽研究組長期致力於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量子點脈衝共振激發，解決了單光子源的確定性和高品質這兩個基本問題。2016年，研究組研製了微腔精確耦合的單量子點器件，產生了國際最高效率的全同單光子源，並在此基礎上，於2017年初步應用於構建超越早期經典計算能力的針對玻色取樣問題的光量子計算原型機，其取樣速率比國際上當時的實驗提高24000多倍。

2019年，研究組提出相干雙色激發[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後的難題，並在窄帶和寬帶微腔上成功研製出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，相關成果被選為《自然光子學》封面文章。加拿大滑鐵盧大學Reimer教授以“The quest for a perfect single-photon source”為題專門對這一成果發表評論文章，指出：“之前，國際上對完美單光子器件的探尋持續了二十年，然而這三項指標從未同時實現過（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）”，“這項開創性的研究是實現完美單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，並通過與中科院上海微系統與信息技術研究所尤立星在超導納米線高效率單光子探測器方面的合作，成功實現了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、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，輸出態空間維數提高了百億倍。其中，由於多光子高模式特性，輸出態空間達到了三百七十萬億維數，這等效於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，朝着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（asignificant 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：“這意味着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、中科院、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