中科大實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度達(dá)48個(gè)量子比特的玻色取樣量子計(jì)算

演示量子計(jì)算優(yōu)越性目前有兩種途徑：利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣。

在第二種路線上，中科大團(tuán)隊(duì)一直保持國際領(lǐng)先，近期實(shí)現(xiàn)了 20 光子輸入 60×60 模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達(dá)三百七十萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于 48 個(gè)量子比特，逼近谷歌最近報(bào)道的 53 個(gè)超導(dǎo)量子比特。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星以及德國和荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了 20 光子輸入 60×60 模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出了復(fù)雜度相當(dāng)于 48 個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，其維數(shù)高達(dá)三百七十萬億。

這個(gè)工作同時(shí)在光子數(shù)、模式數(shù)、計(jì)算復(fù)雜度和態(tài)空間這四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上都大幅超越之前的國際記錄。其中，態(tài)空間維數(shù)比國際同行之前的光量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)高百億倍。論文以“編輯推薦”形式近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)權(quán)威期刊《物理評論快報(bào)》。美國物理學(xué)會 Physics 網(wǎng)站以“玻色取樣量子計(jì)算逼近里程碑”為題對該工作做了精選報(bào)道。

量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為前沿科學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一，成為世界各國角逐的焦點(diǎn)。其中，量子計(jì)算研究的第一個(gè)階段性目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”（亦譯為“量子霸權(quán)”），即研制出量子計(jì)算原型機(jī)在特定任務(wù)的求解方面超越經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)。利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣是目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩大途徑。

面向這一戰(zhàn)略目標(biāo)，潘建偉、陸朝陽研究組長期致力于可擴(kuò)展單光子源和玻色取樣量子計(jì)算的研究。

2013 年，研究組在國際上首創(chuàng)量子點(diǎn)脈沖共振激發(fā)，解決了單光子源的確定性和高品質(zhì)這兩個(gè)基本問題。

2016 年，研究組研制了微腔精確耦合的單量子點(diǎn)器件，產(chǎn)生了國際最高效率的全同單光子源，并在此基礎(chǔ)上，于 2017 年初步應(yīng)用于構(gòu)建超越早期經(jīng)典計(jì)算能力的針對波色取樣問題的光量子計(jì)算原型機(jī)，其取樣速率比國際上當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)提高 24000 多倍。

2019 年，研究組提出相干雙色激發(fā)[Nature Physics 15, 941 (2019)]和橢圓微腔耦合[Nature Photonics 13, 770 (2019)]理論方案，在實(shí)驗(yàn)上同時(shí)解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個(gè)最后的難題，并在窄帶和寬帶微腔上成功研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，相關(guān)成果被選為《自然光子學(xué)》封面文章。加拿大滑鐵盧大學(xué) Reimer 教授指出，這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究是實(shí)現(xiàn)完美單光子源的里程碑式成就。

中國科大研究組利用自主發(fā)展的國際最高效率和最高品質(zhì)單光子源、最大規(guī)模和最高透過率的多通道光學(xué)干涉儀，并通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星在超導(dǎo)納米線高效率單光子探測器方面的合作，成功實(shí)現(xiàn)了 20 光子輸入 60×60 模式（60 個(gè)輸入口，60 層的線路深度，包括 396 個(gè)分束器和 108 個(gè)反射鏡）干涉線路的玻色取樣實(shí)驗(yàn)。

與牛津大學(xué)、維也納大學(xué)、法國國家科學(xué)院、布里斯托大學(xué)、昆士蘭大學(xué)、羅馬大學(xué)、麻省理工學(xué)院、馬里蘭大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的國際同行的類似工作相比，實(shí)驗(yàn)成功操縱的單光子數(shù)增加了 5 倍，模式數(shù)增加了 5 倍，取樣速率提高了 6 萬倍，輸出態(tài)空間維數(shù)提高了百億倍。其中，由于多光子高模式特性，輸出態(tài)空間達(dá)到了三百七十萬億維數(shù)，這等效于 48 個(gè)量子比特展開的希爾伯特空間。

因此，實(shí)驗(yàn)首次將玻色取樣推進(jìn)到一個(gè)全新的區(qū)域：無法通過經(jīng)典計(jì)算機(jī)直接全面驗(yàn)證該波色取樣量子計(jì)算原型機(jī)，朝著演示量子計(jì)算優(yōu)越性的科學(xué)目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。

審稿人指出：這個(gè)工作“在解決關(guān)鍵問題上邁出了重要幾步”，是“令人印象深刻的技術(shù)成就”、“一個(gè)巨大的飛躍（a significant leap）”，“不僅是對光量子計(jì)算能力的一次有影響力的測試，更是通往實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的彈簧跳板”。

美國物理學(xué)會 Physics 網(wǎng)站對該工作的總結(jié)指出：“這意味著量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑：接近經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能模擬量子系統(tǒng)的地步?！?/p>

該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省、上海市科委等單位的支持。