最大規(guī)模光量子芯片誕生 一枚“玻璃片”為量子計算提速
5月15日,金賢敏教授展示制備的芯片。
一個個肉眼看不見的單光子穿過透明的“玻璃片”,幾秒之后,顯示屏幕上呈現(xiàn)出單光子的二維量子行走演化結果。
一個量子計算過程完成,而其中最關鍵的就是這枚“玻璃片”。在燈光下,從某個角度看去,這枚完全透明的“玻璃片”上隱約閃現(xiàn)幾道光譜。原來一平方毫米的“玻璃片”范圍內(nèi)“雕刻”了幾千個光波導,所以就像光柵一樣呈現(xiàn)為彩色。
這就是上海交通大學金賢敏研究團隊的最新研究成果——最大規(guī)模的光量子芯片。相比于傳統(tǒng)的計算機,這枚光量子芯片可以針對特定問題實現(xiàn)算力加速。以此為內(nèi)核,在絕對計算能力上有望超越傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機。
光量子芯片的算力到底有多大
光量子芯片實現(xiàn)了量子加速,比如未來可以設定一個優(yōu)化算法,經(jīng)典計算機需要100分鐘解決的話,光量子計算機只需要10分鐘,以此類推。問題越復雜,量子加速帶來的優(yōu)越性就越明顯。當量子計算機在絕對計算能力上超越了現(xiàn)有經(jīng)典計算機的計算能力極限時,“量子霸權”就實現(xiàn)了,這是量子物理學家的孜孜不倦追求。
過去20年里,增加絕對計算能力的方式通常是制備更多光子數(shù)的量子糾纏。中國一直在這方面保持優(yōu)勢,成功將光子數(shù)從4個提高到了10個,但同時也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。金賢敏團隊另辟蹊徑,通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復雜度來提升量子態(tài)空間尺度,開發(fā)了全新量子資源,對于未來模擬量子計算機的研發(fā)具有重要意義。
“最大規(guī)模”是此次金賢敏團隊發(fā)布的光量子芯片的一個關鍵詞。在這枚光量子芯片里節(jié)點數(shù)多達49×49個,也就是2401個節(jié)點。正是這種目前世界最大規(guī)模的光量子計算芯片,使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實驗中首次實現(xiàn),并將促進未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實現(xiàn)。
通過飛秒激光直寫技術,研究人員可以像3D打印一樣制備可集成大規(guī)模光子線路的光量子芯片。金賢敏團隊經(jīng)過數(shù)年的努力,從系統(tǒng)設計到參數(shù)摸索優(yōu)化,不斷積累經(jīng)驗,終于在光量子芯片的規(guī)模上實現(xiàn)了超越,但實用征程仍然漫長。
在特定的問題上超越經(jīng)典計算機
“在研究者的實驗室里,從單光子的產(chǎn)生到芯片里量子態(tài)的演化,再到單光子的探測,整個過程和系統(tǒng)形成了一臺模擬量子計算機。”金賢敏說。
所謂“模擬量子計算機”,就是指專用量子計算機。相比于基于量子門的通用量子計算機(即數(shù)字量子計算機),它可通過構建量子物理系統(tǒng)直接實現(xiàn),而不需要依賴復雜的量子糾錯,因此更加可行。作為模擬量子計算的一種重要算法內(nèi)核,二維空間中的量子行走模型,能夠將特定計算任務對應到量子演化空間中的相互耦合系數(shù)矩陣中,當量子演化體系能夠制備得足夠大并且能靈活設計結構時,可以用來實現(xiàn)工程、金融、生物醫(yī)藥等各領域中的各種搜索、優(yōu)化問題,展現(xiàn)出遠遠優(yōu)于經(jīng)典計算機的表現(xiàn),具有廣泛的應用前景。
金賢敏對科技日報記者介紹說,基于光量子芯片中的大規(guī)模量子演化系統(tǒng),在量子隨機行走的問題上超過了經(jīng)典隨機行走的表現(xiàn)。但是要將這種超越付諸于實際應用,還是一個艱難和漫長的過程。
“我們可以期待一些原理性的應用,比如將網(wǎng)絡節(jié)點排序、搜索問題、優(yōu)化問題等映射到二維空間隨機行走的模型,目前我們正在深度挖掘。”金賢敏說,但可以肯定的是,相比于其他量子計算概念,光量子芯片由于其高集成度和高穩(wěn)定性,更易構建足夠復雜的專用量子計算機,用于解決一些特定實際問題。
從全球范圍看,目前光量子芯片的研發(fā)仍然處于早期階段,需要在損耗、精度和可調(diào)控能力等各項指標上,在材料、工藝和混合芯片構架上,以及在與量子計算、量子通信和量子精密測量系統(tǒng)融合上開展大量研究,扎實推進,構建尺度和復雜度上都達到全新水平的光量子系統(tǒng),實質(zhì)性地推動新物理的探索和量子信息技術的實用化。
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