中科大在光量子计算领域取得重大突破

打地鼠

12月24日科技日报称，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与中外合作者一起，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，输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，其维数高达370万亿。
这个工作同时在光子数、模式数、计算复杂度和态空间4个关键指标上都大幅超越之前的国际纪录，其中，态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍。研究论文日前以编辑推荐形式发表于《物理评论快报》上。

研制量子计算机已成为前沿科学的最大挑战之一，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」（也称「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。
面向这一战略目标，在前期工作基础上，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，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，输出态空间维数提高了百亿倍。其中，由于多光子高模式特性，输出态空间达到了370万亿维数，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玻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。
审稿人评价该工作「在解决关键问题上迈出了重要几步」、是「一个巨大的飞跃」。美国物理学会Physics网站总结指出：“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。”
所谓量子优越性，英文Quantum Supremacy，又称量子霸权，指的是量子计算机在某个特定问题上的计算能力远超过性能最好的超算，证明量子计算机的优越性。因此，量子优越性被认为是量子计算发展道路上的一个重要里程碑。
2019年10月23日，谷歌在持续重金投入量子计算13年后，成功摘取量子计算领域的这个重要里程碑：实验证明「量子优越性」。在特定任务上，量子计算机可以大大超越经典计算机的计算能力了。
值得一提的是，在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，谷歌量子AI团队所针对的问题是随机量子线路采样，而中科大团队的光子玻色采样实验则是另一途径。
谷歌的阶段性实验绝不是终点，而是一个起点。实现「量子优越性」仅仅是量子计算发展的第一步，在新兴量子技术国际大会的白皮书中，量子计算研究三个发展阶段得到了国家专家的共识，其中第一个阶段就是实现量子优越性，这一阶段性目标将在近期实现。第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三个阶段，则是实现真正可编程的通用量子计算机，而这个目标，还需要「全世界学术界的长期艰苦努力」。

王杰森

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