科技进展

我国在光量子计算领域取得重要突破:态空间维度提高百亿倍,波色取样逼近里程碑

  

     中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与中科院上海微系统所超导实验室尤立星以及德国和荷兰的科学家合作,在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算,输出量子态希尔伯特空间的维度达到三百七十万亿(等效于48个量子比特)。这个工作同时在光子数、模式数、计算复杂度和态空间这四个关键指标上都大幅超越之前的国际记录,其中,态空间维度比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍。论文以“编辑推荐”形式近日发表于国际学术权威期刊《物理评论快报》。美国物理学会Physics网站以“玻色取样量子计算逼近里程碑”为题对该工作做了精选报道。

  量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。当前,研制量子计算机已成为前沿科学的最大挑战之一,成为世界各国角逐的焦点。其中,量子计算研究的第一个阶段性目标是实现“量子计算优越性”(亦译为“量子霸权”),即研制出量子计算原型机在特定任务的求解方面超越经典的超级计算机。利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。

  中国科大研究组利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪,结合我所超导实验室/中国科学院超导电子学卓越创新中心研发的高效率超导纳米线单光子探测器SNSPD,成功实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样实验。与牛津大学、维也纳大学、法国国家科学院、布里斯托大学、昆士兰大学、罗马大学、麻省理工学院、马里兰大学等研究机构的国际同行的类似工作相比,实验成功操纵的单光子数增加了5倍,模式数增加了5倍,取样速率提高了6万倍,输出态空间维度提高了百亿倍。其中,由于多光子高模式特性,输出态空间达到了三百七十万亿维度,这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。因此,实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域:无法通过经典计算机直接全面验证该波色取样量子计算原型机,朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。

  审稿人指出:这个工作“在解决关键问题上迈出了重要几步(makes essential steps towards solving a critical problem)”、是“令人印象深刻的技术成就(an impressive technological achievement)”、“一个巨大的飞跃(a significant leap)”、“不仅是对光量子计算能力的一次有影响力的测试,更是通往实现量子计算优越性的弹簧跳板(is not only a powerful test of photonic strength but, rather, a trampoline for the upcoming quantum computational supremacy)”。美国物理学会Physics网站对该工作的总结指出:“这意味着量子计算领域的一个里程碑:接近经典计算机不能模拟量子系统的地步( it signifies a milestone in the field of quantum computation: approaching the point where a classical system cannot feasibly mimic a quantum system)”。

  该研究工作得到了自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省、上海市科委等单位的支持。

   

  相关链接:

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

  美国物理学会报道:https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.250503