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：全球首個基于光子集成芯片的物理系統(tǒng)可擴展的專用光量子計算原型機。該團隊首次在實驗上實現(xiàn)了一種叫做“快速到達”問題的量子加速算法。該項研究開啟了利用量子系統(tǒng)的維度和尺度作為全新資源研發(fā)專用光量子計算機的新路線圖。

  10 月 29 日，最新一期國際權(quán)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，報道了首個基于光子集成芯片的物理系統(tǒng)可擴展的專用光量子計算原型機，首次在實驗上實現(xiàn)了“快速到達”問題的量子加速算法。

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

  該項研究開啟利用量子系統(tǒng)的維度和尺度作為全新資源研發(fā)專用光量子計算機的路線圖。

  首次在復(fù)雜六方粘合樹結(jié)構(gòu)實現(xiàn)量子加速優(yōu)勢

  近年來，關(guān)于通用量子計算機的新聞屢見于報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現(xiàn)了更高的量子比特數(shù)紀錄。但是業(yè)界共識是，即使做出幾十個甚至更多量子比特數(shù)，如果沒有做到全互連、精度不夠并且無法進行糾錯，通用量子計算仍然無法實現(xiàn)。即使以現(xiàn)在各種量子比特載體可以實現(xiàn)的極限操控精度，進行量子糾錯，通用量子計算機需要高達上百萬個量子比特才能真正超越經(jīng)典計算機。

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

  量子行走作為專用量子計算的重要內(nèi)核，已經(jīng)在許多優(yōu)化算法中被理論預(yù)測具有明顯量子加速效果。其中，對于粘合樹結(jié)構(gòu)上的快速到達(Fast Hitting)問題，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結(jié)構(gòu)上可以輕松“快速到達”，對優(yōu)化、搜索等實際問題都有潛在的廣泛應(yīng)用前景。只是，常規(guī)的二叉粘合樹的節(jié)點數(shù)目隨著層數(shù)增加呈指數(shù)級增加，會迅速耗盡幾何上的制備空間，因此是不可擴展的。

圖一：粘合樹結(jié)構(gòu)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(guī)模的光量子計算集成芯片，并演示了首個真正空間上的二維量子行走[Science Advances 4, eaat3174 (2018)]。這項工作通過增加量子演化維度和系統(tǒng)尺度的方式來提升量子態(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(chǔ)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結(jié)構(gòu)，并通過飛秒激光直寫技術(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結(jié)構(gòu)，即使層數(shù)很大，都可以在芯片中很好地用三維波導(dǎo)來實現(xiàn)。

  實驗中首先根據(jù)理論預(yù)測的量子動態(tài)演化過程中最大的到達概率以及對應(yīng)的最優(yōu)演化長度，通過飛秒激光直寫技術(shù)制備最優(yōu)演化長度附近的若干組芯片樣品。然后通過激光注入、CCD成像觀測芯片輸出的光強概率分布，確定不同層數(shù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)演化長度。注入單光子量子光源，用高精度單光子成像觀測在最優(yōu)“快速到達”情形下的演化圖形。

  圖二展示了量子算法可實現(xiàn)約90%的最優(yōu)到達效率，最優(yōu)演化長度約為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多數(shù)量級。這是經(jīng)典隨機行走的擴散傳輸本質(zhì)導(dǎo)致的，出口節(jié)點達到的最優(yōu)到達效率相當于1除以所有節(jié)點的數(shù)目。量子行走在復(fù)雜分叉結(jié)構(gòu)時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)演化長度都實現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。

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

  研究人員將六方粘合樹的層數(shù)逐步增大到8層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不斷提升。如圖三所示，在幾種不同層數(shù)結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)到達情形中，出口波導(dǎo)都會聚了比大部分其他波導(dǎo)更高的光強，而經(jīng)典情形是當出口節(jié)點達到最優(yōu)時，所有節(jié)點的光強實現(xiàn)平均分配，因而最優(yōu)到達效率非常低。

  研究人員進一步分析了量子行走和經(jīng)典隨機行走在六方粘合樹結(jié)構(gòu)上的“快速到達”表現(xiàn)隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的量化關(guān)系。量子最優(yōu)到達效率始終比經(jīng)典最優(yōu)到達效率高一個多數(shù)量級。而且對于最優(yōu)到達效率所對應(yīng)的最優(yōu)演化長度，量子算法和經(jīng)典算法分別需要與粘合樹層數(shù)呈線性及平方關(guān)系的演化長度。也就是說，量子算法對于“快速到達”問題在更大的任務(wù)尺寸上具有更大的優(yōu)勢。

圖三：結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不斷增大的量子“快速到達”實驗結(jié)果

  金賢敏研究團隊通過理論創(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(fù)雜六方粘合樹結(jié)構(gòu)“快速到達”問題中成功實現(xiàn)量子加速優(yōu)勢。光量子集成芯片中的實驗結(jié)果與理論結(jié)果在最優(yōu)到達效率及最優(yōu)演化長度兩方面都吻合的很好，這與研究團隊過去三年所發(fā)展的飛秒激光直寫制備三維光量子集成芯片的精準工藝是分不開的。

  首款專用光量子計算軟件已發(fā)布，專用光量子計算原型機有望推動實際應(yīng)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(guī)模量子演化系統(tǒng)，使得研發(fā)各種物理系統(tǒng)可擴展的專用光量子計算原型機成為可能。

  同時，這種粘合樹結(jié)構(gòu)很容易讓人聯(lián)想到計算機科學(xué)中的二元樹或決策樹，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際問題中去，有望極大地推動量子計算機的實際應(yīng)用。還有望用來解決許多跨學(xué)科交叉的科學(xué)問題并衍生新興研究領(lǐng)域，比如與實驗室天文學(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(yī)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，力圖促進更多專用光量子計算算法的發(fā)現(xiàn)、基礎(chǔ)科研領(lǐng)域交叉、量子計算的工程化應(yīng)用對接。

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

  作者：上交大金賢敏團隊

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