上海交大團隊研制出基于三維集成芯片的光量子計算原型機

  近日，上海交通大學(xué)金賢敏研究團隊發(fā)布了最新研究成果：全球首個(gè)基于光子集成芯片的物理系統可擴展的專(zhuān)用光量子計算原型機。該團隊首次在實(shí)驗上實(shí)現了一種叫做“快速到達”問(wèn)題的量子加速算法。該項研究開(kāi)啟了利用量子系統的維度和尺度作為全新資源研發(fā)專(zhuān)用光量子計算機的新路線(xiàn)圖。

  10 月 29 日，最新一期國際權威學(xué)術(shù)期刊《自然?光子學(xué)》(影響因子：37.85) 以“Experimental quantum fast hitting on hexagonal graphs” 為題發(fā)表了上海交通大學(xué)金賢敏研究團隊最新研究成果，報道了首個(gè)基于光子集成芯片的物理系統可擴展的專(zhuān)用光量子計算原型機，首次在實(shí)驗上實(shí)現了“快速到達”問(wèn)題的量子加速算法。

  該研究團隊在飛秒激光直寫(xiě)制備的三維光量子集成芯片中成功構建了大規模六方粘合樹(shù)并演示了量子快速到達算法內核，相比經(jīng)典情形展示了平方級加速，而且最優(yōu)效率提高一個(gè)數量級。

  該項研究開(kāi)啟利用量子系統的維度和尺度作為全新資源研發(fā)專(zhuān)用光量子計算機的路線(xiàn)圖。

  首次在復雜六方粘合樹(shù)結構實(shí)現量子加速優(yōu)勢

  近年來(lái)，關(guān)于通用量子計算機的新聞屢見(jiàn)于報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實(shí)現了更高的量子比特數紀錄。但是業(yè)界共識是，即使做出幾十個(gè)甚至更多量子比特數，如果沒(méi)有做到全互連、精度不夠并且無(wú)法進(jìn)行糾錯，通用量子計算仍然無(wú)法實(shí)現。即使以現在各種量子比特載體可以實(shí)現的極限操控精度，進(jìn)行量子糾錯，通用量子計算機需要高達上百萬(wàn)個(gè)量子比特才能真正超越經(jīng)典計算機。

  專(zhuān)用量子計算，由于可以直接構建量子系統，不需要依賴(lài)復雜的量子糾錯，因而相對于通用量子計算具有更靈活的實(shí)現方式和更高的可行度。一旦能夠制備和控制的量子系統達到全新尺度，將可以直接用于探索新物理和在特定問(wèn)題上推進(jìn)遠超經(jīng)典計算機的絕對計算能力。

  量子行走作為專(zhuān)用量子計算的重要內核，已經(jīng)在許多優(yōu)化算法中被理論預測具有明顯量子加速效果。其中，對于粘合樹(shù)結構上的快速到達(Fast Hitting)問(wèn)題，量子行走的優(yōu)勢尤為突出。量子行走具有天然的疊加態(tài)特性，在面對分叉選擇的時(shí)候，不是選擇左或者右，而是可以選擇左和右的疊加態(tài)，使得量子行走在粘合樹(shù)結構上可以輕松“快速到達”，對優(yōu)化、搜索等實(shí)際問(wèn)題都有潛在的廣泛應用前景。只是，常規的二叉粘合樹(shù)的節點(diǎn)數目隨著(zhù)層數增加呈指數級增加，會(huì )迅速耗盡幾何上的制備空間，因此是不可擴展的。

圖一：粘合樹(shù)結構示意圖

  今年5月，金賢敏團隊在美國《科學(xué)》雜志子刊Science Advances上發(fā)表了世界最大規模的光量子計算集成芯片，并演示了首個(gè)真正空間上的二維量子行走[Science Advances 4, eaat3174 (2018)]。這項工作通過(guò)增加量子演化維度和系統尺度的方式來(lái)提升量子態(tài)空間的尺度，提供了一種可行的非常有前景的量子計算和處理資源。

  在此基礎上，金賢敏團隊提出了一種具有充分可擴展性的六方粘合樹(shù)結構，并通過(guò)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)成功映射到三維光量子集成芯片中。這種六方粘合二叉樹(shù)結構，即使層數很大，都可以在芯片中很好地用三維波導來(lái)實(shí)現。

  實(shí)驗中首先根據理論預測的量子動(dòng)態(tài)演化過(guò)程中最大的到達概率以及對應的最優(yōu)演化長(cháng)度，通過(guò)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備最優(yōu)演化長(cháng)度附近的若干組芯片樣品。然后通過(guò)激光注入、CCD成像觀(guān)測芯片輸出的光強概率分布，確定不同層數結構的最優(yōu)演化長(cháng)度。注入單光子量子光源，用高精度單光子成像觀(guān)測在最優(yōu)“快速到達”情形下的演化圖形。

  圖二展示了量子算法可實(shí)現約90%的最優(yōu)到達效率，最優(yōu)演化長(cháng)度約為25mm。而經(jīng)典算法只能緩慢地達到最優(yōu)演化情形，且最優(yōu)到達效率只有6.25%，比量子行走小了一個(gè)多數量級。這是經(jīng)典隨機行走的擴散傳輸本質(zhì)導致的，出口節點(diǎn)達到的最優(yōu)到達效率相當于1除以所有節點(diǎn)的數目。量子行走在復雜分叉結構時(shí)可以選擇左和右的疊加態(tài)，從而在最優(yōu)到達效率和最優(yōu)演化長(cháng)度都實(shí)現明顯的優(yōu)勢。

圖二：2層六方粘合樹(shù)“快速到達”的量子算法和經(jīng)典算法結果對比

  研究人員將六方粘合樹(shù)的層數逐步增大到8層，結構復雜度不斷提升。如圖三所示，在幾種不同層數結構中的最優(yōu)到達情形中，出口波導都會(huì )聚了比大部分其他波導更高的光強，而經(jīng)典情形是當出口節點(diǎn)達到最優(yōu)時(shí)，所有節點(diǎn)的光強實(shí)現平均分配，因而最優(yōu)到達效率非常低。

  研究人員進(jìn)一步分析了量子行走和經(jīng)典隨機行走在六方粘合樹(shù)結構上的“快速到達”表現隨著(zhù)結構層數的量化關(guān)系。量子最優(yōu)到達效率始終比經(jīng)典最優(yōu)到達效率高一個(gè)多數量級。而且對于最優(yōu)到達效率所對應的最優(yōu)演化長(cháng)度，量子算法和經(jīng)典算法分別需要與粘合樹(shù)層數呈線(xiàn)性及平方關(guān)系的演化長(cháng)度。也就是說(shuō)，量子算法對于“快速到達”問(wèn)題在更大的任務(wù)尺寸上具有更大的優(yōu)勢。

圖三：結構復雜度不斷增大的量子“快速到達”實(shí)驗結果

  金賢敏研究團隊通過(guò)理論創(chuàng )新、高精度的芯片制備、單光子級的注入和成像等一系列努力，最終首次在復雜六方粘合樹(shù)結構“快速到達”問(wèn)題中成功實(shí)現量子加速優(yōu)勢。光量子集成芯片中的實(shí)驗結果與理論結果在最優(yōu)到達效率及最優(yōu)演化長(cháng)度兩方面都吻合的很好，這與研究團隊過(guò)去三年所發(fā)展的飛秒激光直寫(xiě)制備三維光量子集成芯片的精準工藝是分不開(kāi)的。

  首款專(zhuān)用光量子計算軟件已發(fā)布，專(zhuān)用光量子計算原型機有望推動(dòng)實(shí)際應用

  金賢敏研究團隊所發(fā)展的基于三維光子集成芯片的大規模量子演化系統，使得研發(fā)各種物理系統可擴展的專(zhuān)用光量子計算原型機成為可能。

  同時(shí)，這種粘合樹(shù)結構很容易讓人聯(lián)想到計算機科學(xué)中的二元樹(shù)或決策樹(shù)，若能將量子算法運用到計算機科學(xué)中的優(yōu)化、管理、及信息搜尋等各種實(shí)際問(wèn)題中去，有望極大地推動(dòng)量子計算機的實(shí)際應用。還有望用來(lái)解決許多跨學(xué)科交叉的科學(xué)問(wèn)題并衍生新興研究領(lǐng)域，比如與實(shí)驗室天文學(xué)模擬、量子人工智能[Physical Review Letters 120, 240501 (2018)]、量子拓撲光子學(xué)[arXiv:1810.01435 (2018)]、生物醫藥及成像等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的綜合性研究。今年10月初，金賢敏團隊剛剛發(fā)布了首款專(zhuān)用光量子計算軟件FeynmanPAQS [arXiv: 1810.02289 (2018)]，也是旨在讓量子計算面向更加廣泛的科研學(xué)者、工程師和熱心科普的群體，力圖促進(jìn)更多專(zhuān)用光量子計算算法的發(fā)現、基礎科研領(lǐng)域交叉、量子計算的工程化應用對接。

  期待不久的將來(lái)，專(zhuān)用光量子計算機能夠真正為各行業(yè)帶來(lái)更多令人欣喜的應用。

  作者：上交大金賢敏團隊

  論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41566-018-0282-5