「Nature重磅」中國造世界首台光量子計算機，兩項重大突破超越經典計算機

新智元報道

5月3日，科技界迎來了一則重磅消息：世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。中國科學院5月3日在上海舉行新聞發布會，對外發布了這一消息，這個「世界首台」是貨真價實的「中國造」，屬中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組攻關突破的成果。

量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的並行計算和模擬能力的計算機。曾有人打過一個比方：如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。例如，一台操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過目前最快的「神威·太湖之光」超級計算機。

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2017年被中國科學家團隊打破。

此前，潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過發展全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。進一步，研究團隊利用超導量子線路演示了求解線性方程組的量子演算法，證明了通過量子計算的並行性加速求解線性方程組的可行性。相關成果即將發表於國際權威期刊《物理評論快報》。

在光量子計算方面，潘建偉、陸朝陽等利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，並通過電控可編程的光量子線路，構建了針對多光子「玻色取樣」任務的光量子計算原型機。

實驗測試表明，該原型機的取樣速度不僅比國際同行類似的實驗加快至少24000倍，同時，通過和經典演算法比較，也比人類歷史上第一台電子管計算機(ENIAC)和第一台晶體管計算機(TRADIC)運行速度快10-100倍。

潘建偉說，這是歷史上第一台超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算奠定了基礎。

5月1日，該研究成果以長文的形式在線發表於《自然光子學》。

論文：高效多光子玻色取樣

論文摘要：

在傳統的計算機上實現「量子計算霸權」（Quantum computational supremacy）時，玻色取樣這一方法通常會得到非常高度的推薦。

然而，由於單光子源和多埠光學干涉儀效率不高，以前的原理驗證實驗受到小光子數和低採樣率的影響。

在這裡，我們開發了兩個用於高性能玻色取樣的核心組件：具有99％傳輸速率的強大多光子干涉儀，以及基於量子點 - 微柱並且同時具有高效率的，純粹的和不可區分性的主動解復用單光子源。

我們部署和驗證了三光子，四光子和五光子玻色子採樣，並分別實現了4.96 kHz，151 Hz和4 Hz的採樣率，比以前的實驗快了24,000倍。我們的架構可以擴大到更多數量的光子，並具有較高的採樣率，能夠與傳統的計算機競爭，並可能為擴展的Church-Turing論文提供實驗證據。

圖1：多光子玻色子採樣的實驗裝置示意圖。該設置包括４大關鍵部分：單光子源、多路復解析器（demulitplexer）、超低損耗光子測量陣列和光子探測器。脈衝皮秒激光泵浦InAs/GaAs量子點，產生單光子源和一個直徑 2μm 的微柱腔進行耦合，共振時產生 7.63(23) 的 Purcell 因子。一個共焦顯微鏡以交叉極化配置（cross polarization configuration）工作，消除激光背景。單模光纖用來收集共振熒光單光子，然後導入多路復解器，後者由 Pocke盒和偏振分束器組成，四組這樣的模塊將光子分為５個空間模式，經過特定的光纖延時後，光子被注入到低損耗測量陣列進行波色採樣實驗，光子檢測陣列由五個輸入九個輸出埠組成，中間是由 36個分束器和反射鏡組成。９個單光子檢測器會測量干涉儀的輸出，時間-數字轉換器（TDC）用來分析多光子的符合。

圖2：用於玻色子採樣的單光子源和干涉儀示意圖。a，通過量子點的脈衝共振激發觀察到的 Rabi 振蕩。藍色點表示由硅檢測器直接測量到的單光子數，紅色點表示通過檢測 dead time 校正後的計數。單光子計數在 π 脈衝功率下達到最大值 1.6 nW。 b，在非馬爾科夫雜訊模型的前提下，測量的光子不可區分性（indistinguishability）在 13ns 處略有下降，在 >10μs 分離的情況下從 0.939(3) 下降為 0.900(3)，此後一直保持平穩，衰減時間常數是 2.1μs。藍色箭頭表示我們當前工作中的狀態，其中兩個光子由於解復用而被最大程度地分離了 1.05μs 的時間。誤差條（error bar）表示一個標準差，這個標準差是從原始光子檢測事件的傳播泊松計數統計（propagated Poissonian counting statistics）得出的。c，d，表示測量到的光網路酉變換（unitary transformation）數值（c 是幅度，d是相位）。

圖3：三、四和五玻色子採樣的實驗結果。實驗的縱坐標是九個通道輸出的歸一化了後的計數率（概率），橫坐標是光子的輸出模型組合。Abc分別是輸入為三光子、四光子、五光子的輸入情況，對應84,126,126種輸入組合。圖中的藍色實心條是測量的實驗結果，空條則是根據量子波色採樣理論計算的理論結果。誤差條的錶針偏差採樣從泊松統計（Poissonian counting statistics）模型進行計算得到的。

圖4：驗證玻色子採樣結果。

波色採樣的核心

2017 轉折之年：量子計算機將從實驗室走進現實

2017年1月，《Nature》曾發表文章，稱2017年是量子計算的轉折之年，更多技術將從實驗室走向現實。

《Nature》的文章盤點了量子計算上的進展：谷歌在2014年開始研究基於超導超導的量子計算機，他們希望在今年，或者稍晚一些的時候，能夠超越最強大的「傳統」計算機所能做到的計算能力，這一里程碑式的成就被命名為量子霸業。谷歌的競爭對手——微軟，把賭注壓在了一個非常吸引人但是還未經驗證的概念——拓撲量子計算上，並希望成為首個展示這一技術的公司。

中國科學家們日前發表的這一研究，在基於光子和超導體系的量子計算機研究方面取得了兩項重大突破性進展，為在傳統計算機上實現「量子計算霸權」奠定了堅實的基礎，也為2017年這一轉折之年描下了濃墨重彩的一筆。

潘建偉：波色取樣，50個光子糾纏能讓模擬機計算能力超越「天河二號」

2015中國計算機大會上，中科院院士、中科大常務副校長潘建偉發表報告《量子計算與量子模擬》。潘建偉長期從事量子光學等方面的研究工作，是中國空間量子科學實驗衛星計劃的首席科學家，其研究成果同倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等一起選為「百年物理學21篇經典論文」。

潘建偉介紹，由於高精度量子操控技術的極端複雜性，目前量子計算研究仍處在早期發展階段，像經典計算機那樣具有通用功能的量子計算機最終能否成功，對整個科學界還是個未知數。

但理論研究表明，與通用量子計算機相比較，量子模擬機這樣一類針對解決一些重大問題的專用量子計算機，在量子比特數目等方面的技術要求並沒有那麼高。例如，對「波色取樣」這樣的問題，一旦達到50個左右光子的糾纏，量子模擬機的計算能力就能超過目前最快的「天河二號」超級計算機。潘建偉說，量子模擬具有重大實用價值，可為人類開發新材料和新能源提供重要指導，孕育和推動物質科學領域新一代技術革命和產業變革，有望在10至15年內取得重大突破。

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