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中科大潘建伟团队研发的量子计算机“九章”

2020-12-07 10:18阅读:
中科大潘建伟团队研发的量子计算机“九章”
“九章”取名于公元一世纪我国古书《九章算术》。“九章”量子计算机(原型机)是一个由激光器、反射镜、棱镜和光子探测器组成的精密桌面装置。它与利用硅处理器构建的传统计算机不同,也不是可以发送电子邮件或存储文档的通用型计算机,它最惊人之处是它展示了量子计算技术的潜力。
“九章”实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。在线发表在《科学》上的论文显示,其结果是76个被探测到的光子,这远远超过了先前创下纪录的5个被测光子以及经典超级计算机的运算能力。它第二次演示“量子霸权”:在某一时刻,量子计算机在速度上指数级超越任何经典计算机,进而实际上完成其他设备无法完成的计算任务,也即贴近实现了量子计算优越性。
“高斯玻色取样”的基本原理最早由美国科学家阿伦森和他的学生于2011年阐述。鉴于玻色取样量子模拟的重要意义和应用前景,光子学领域重要期刊发表了由来自巴西和意大利的多名量子光学专家联合撰写的光子体系玻色取样综述论文,系统地展示了玻色取样的研究成果。该论文从理论出发,结合目前玻色取样实验的技术方案和研究现状,深入浅出地分析了玻色取样对于量子霸权的意义。
“玻色取样”可以理解成一个量子世界的高尔顿板由英国生物统计学家高尔顿提出来):这个问题的模型是竖直木板上均匀钉着一排排的钉子,小球从最上方被扔下,每经过一个钉板,都有一半的可能从左边走,一半的可能从右边走,当有很多个小球从上往下随机掉落时,落在下面的格子里的小球数量分布上会呈现一定的统计规律,这个模型可以用来直观地认识中心极限定理。
“高尔顿钉板”发展出一个量子版本,即由全
同光子来代替小球,用分束器(当一束光通过分束器时会被分成两束强度较低的光,一束透射,另一束反射)来代替钉子,则这个游戏就变成“玻色取样”的量子模拟。更一般来讲,“玻色取样”指在n个全同玻色子经过一个干涉仪后,对n个玻色子的整个输出态空间进行采样的问题。采样过程和分布概率息息相关。
世界上有很多个课题组从实验上挑战玻色取样任务,根据实际需要,衍生出了各种玻色取样变体。Advanced Photonics 发表的综述论文着重介绍了散粒玻色取样和高斯玻色取样。散粒玻色取样针对自发参量下转换(SPDC)光源概率性和低抽运强度的缺点,将k (k > n)个单光子SPDC源连接到线性干涉仪的不同输入端口,SPDC产生的一对光子分别用于预报和探测。当k远大于n时,相对于固定版本的玻色取样会产生指数级别的加速;而高斯玻色取样由Hamilton等人提出,它使用所有处于压缩态的光子,且允许使用更高的抽运功率,使得其同样在事件发生率上具有指数优势。
玻色取样实验的完成,有赖于三个基本模块:单光子源、线性干涉仪和单光子探测器。阿伦森称,在许多年的时间里,玻色取样实验一直局限在只能探测到大约3到5个光子的程度上,这与量子霸权“相去甚远”。当他得知中科大的实验时说:“扩大规模是很困难的,向他们致敬。”
中科大装置的复杂性仍令人望而生畏。“九章”的运行从一束激光开始,这束激光被分成若干束去打击25个由磷酸氧钛钾制成的晶体。每一个晶体被击中后,它会可靠地向两个相反方向吐出光子。然后这些光子被送入100个输入端,在那里它们快速穿过一条由300个棱镜和75面反射镜组成的路径。最后,这些光子落在100条狭缝中,并在那里被探测到。实验运行的平均时间为200多秒,中科大团队在每次运行中平均探测到大约43个光子。但在有一次运行中,他们观测到76个光子——这足以证明他们声称实现量子霸权是有理由的。
中科大团队展示量子计算潜力的最新行动至关重要,它采用的方法与谷歌公司的方法截然不同。谷歌“西克莫”用金属超导环构成量子比特,而在“九章”中,光子本身就是量子比特。陆朝阳说,这进一步独立证实了量子计算原理甚至可以在完全不同的硬件上实现“量子霸权”,“我们因而确信,从长期看,构建有用的量子模拟器和容错量子计算机最终将是可行的”
“九章”的这一突破是我国成为继美国之后全球第二个实现“量子霸权”的国家,而且我们的量子计算机,比起美国最牛的谷歌量子计算机的运算速度高出一百亿倍!且中国的量子计算机,计算过程是在常温下,通过光子实现的,而美国谷歌量子计算机,必须在零下273摄氏度左右,利用超导线圈才能进行!现在量子计算被许多国家列为重点攻克的课题。
2019年,美国《国家量子计划法》被签署成为法律,美国打算未来10年在量子技术领域投资逾12亿美元(1美元约合6.6元人民币)。这一领域也吸引了相当大量的炒作,有人发布不切实际的时间表,有人夸夸其谈地称量子计算机将让经典计算机彻底过时。

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