模擬量子計(jì)算的實(shí)力前景

簡(jiǎn) 介

5月11日Science子刊Science Advances以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”為題發(fā)表了上海交通大學(xué)金賢敏研究團(tuán)隊(duì)最新研究成果，報(bào)道了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個(gè)真正空間二維的隨機(jī)行走量子計(jì)算。同時(shí)這也是國(guó)內(nèi)首個(gè)自主實(shí)現(xiàn)的光量子計(jì)算芯片。這項(xiàng)研究進(jìn)展對(duì)于推進(jìn)模擬量子計(jì)算機(jī)研究、實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”具有重大意義。

近年來(lái)，關(guān)于通用量子計(jì)算機(jī)的新聞屢見(jiàn)于報(bào)端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭(zhēng)相宣告實(shí)現(xiàn)了更高的量子比特?cái)?shù)紀(jì)錄。但是業(yè)界共識(shí)是即使做出幾十甚至更多量子比特?cái)?shù)，如果沒(méi)有做到全互連、精度不夠并且無(wú)法進(jìn)行糾錯(cuò)，通用量子計(jì)算仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)。與之相比，模擬量子計(jì)算可以直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，不需要像通用量子計(jì)算那樣依賴復(fù)雜量子糾錯(cuò)。一旦能夠制備和控制的量子物理系統(tǒng)達(dá)到全新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問(wèn)題上推進(jìn)遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的絕對(duì)計(jì)算能力。

模擬量子計(jì)算的實(shí)力前景

模擬量子計(jì)算(analog quantum computing)，相對(duì)于通用量子計(jì)算，有更平易近人的物理實(shí)現(xiàn)方式，而且對(duì)于玻色采樣、搜索、哈密頓量學(xué)習(xí)、化學(xué)模擬等問(wèn)題上有明顯的天然對(duì)應(yīng)方式和加速優(yōu)勢(shì)，因此是目前量子信息發(fā)展的另一個(gè)不可或缺、至關(guān)重要的領(lǐng)域。谷歌公司于2017年推出的量子軟件OpenFermion便是專(zhuān)攻模擬量子計(jì)算。

作為模擬量子計(jì)算的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，二維空間中的量子行走，能夠?qū)⑻囟ㄓ?jì)算任務(wù)對(duì)應(yīng)到量子演化空間中的相互耦合系數(shù)矩陣中，當(dāng)量子演化體系能夠制備得足夠大并且能靈活設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)工程、金融、生物醫(yī)藥等各領(lǐng)域中的各種搜索、優(yōu)化問(wèn)題，展現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

但是，想要將量子行走真正運(yùn)用于模擬量子計(jì)算來(lái)展現(xiàn)量子算法優(yōu)越性，務(wù)必滿足兩點(diǎn)：足夠多的行走路徑，及可根據(jù)算法需求自由設(shè)計(jì)的演化空間。以往的量子行走實(shí)驗(yàn)受限于所能制備的物理體系的尺寸限制，只能做出幾小步演化的原理性演示，且從來(lái)不能在真正的空間二維體系中自由演化，遠(yuǎn)不足以用于模擬量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)。

金賢敏研究組通過(guò)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備集成化三維波導(dǎo)芯片，以波導(dǎo)走向代表連續(xù)演化時(shí)間，端面形成49×49個(gè)節(jié)點(diǎn)（即總共2401個(gè)節(jié)點(diǎn)）的超大演化空間，這樣即使是單光子注入，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)以千記的量子行走路徑，實(shí)驗(yàn)中量子達(dá)到至少一百多個(gè)行走步徑，突破了量子行走實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄；同時(shí)在演化過(guò)程中，光量子在波導(dǎo)之間的耦合強(qiáng)弱也可通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)間距來(lái)精確調(diào)控。甚至精準(zhǔn)波導(dǎo)彎曲、定量引入損耗及等調(diào)控技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展中。不斷純熟的集成化波導(dǎo)芯片技術(shù)使得量子行走向?qū)嶋H模擬量子計(jì)算應(yīng)用大步靠近。

研究組通過(guò)制備PPKTP高亮度單光子源及發(fā)展高分辨率ICCD單光子成像技術(shù)，觀察了光量子的二維行走模式。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子行走不論在一維還是二維演化空間中，都具有區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)行走的彈道式傳輸特性（ballistic transport）。這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。理論曾指出瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性（transient network）只在大于一維的量子行走中才實(shí)現(xiàn)，而以往準(zhǔn)二維量子行走實(shí)驗(yàn)由于受限的量子演化空間，無(wú)法觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進(jìn)一步驗(yàn)證了所實(shí)現(xiàn)的量子行走的二維特征。

圖：?jiǎn)喂庾拥亩S量子行走演化結(jié)果

從左至右：量子行走演化時(shí)間逐漸增大

超大規(guī)模光量子計(jì)算芯片來(lái)之不易

金賢敏團(tuán)隊(duì)通過(guò)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備出包含數(shù)千節(jié)點(diǎn)的三維光量子計(jì)算芯片，正是這種超大規(guī)模光量子計(jì)算芯片使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)，并促進(jìn)未來(lái)更多量子算法的實(shí)現(xiàn)。

圖示芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了2401根波導(dǎo)

而這些超大規(guī)模光量子計(jì)算芯片，得來(lái)實(shí)屬不易。早在2014年，金賢敏放棄獲得英國(guó)永居機(jī)會(huì)，從牛津大學(xué)毅然回到上海交通大學(xué)從零開(kāi)始組建量子信息實(shí)驗(yàn)室時(shí)，就把目標(biāo)放準(zhǔn)了光子芯片的研究方向，從搭建實(shí)驗(yàn)室飛秒激光直寫(xiě)平臺(tái)到不斷摸索直寫(xiě)參數(shù)，前后花了三年時(shí)間，才對(duì)每個(gè)參數(shù)對(duì)于波導(dǎo)各項(xiàng)性能的影響以及如何寫(xiě)出需求中的波導(dǎo)性能游刃有余。同時(shí)花費(fèi)兩年半時(shí)間搭建高亮度單光子源和發(fā)展高精度的單光子成像技術(shù)，這才使得一個(gè)個(gè)光子在芯片里二維空間量子行走的演化模式首次觀測(cè)出來(lái)。

其實(shí)，芯片化集成化已經(jīng)成為量子信息技術(shù)真正邁向?qū)嵱没难芯繜狳c(diǎn)和戰(zhàn)略性方向，在歐洲尤其是英國(guó)，已經(jīng)提前布局并連續(xù)獲得突破。英國(guó)布里斯托大學(xué)Jeremy O'Brien團(tuán)隊(duì)和牛津大學(xué)Ian Walmsley團(tuán)隊(duì)是國(guó)際上最早開(kāi)展集成化量子信息技術(shù)研究。2014年英國(guó)財(cái)政部宣布5年資助2.7億英鎊支持四個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展量子芯片的技術(shù)研究，其中Ian Walmsley領(lǐng)銜的基于光量子集成芯片構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)化量子信息技術(shù)[Networked Quantum Information Technology (NQIT)]）獲得支持。此外，歐洲為了在量子信息技術(shù)集成化研究領(lǐng)域上取得領(lǐng)先地位，歐盟支持把飛秒激光直寫(xiě)與量子信息應(yīng)用相結(jié)合的科學(xué)基礎(chǔ)研究和技術(shù)基礎(chǔ)研究，按照側(cè)重不同設(shè)立多個(gè)重大研究項(xiàng)目，包括QuChip、3DQUEST和PICQUE等，對(duì)歐洲多個(gè)研究群體進(jìn)行重點(diǎn)資助。

目前國(guó)際上基于光子芯片做量子計(jì)算研究有三個(gè)主要團(tuán)隊(duì)，一是以牛津大學(xué)、布里斯托大學(xué)(Bristol University)為主的英國(guó)量子中心Quantum Hub，二是意大利米蘭理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)，三是德國(guó)光學(xué)名校耶拿大學(xué)與以色列理工大學(xué)的德國(guó)以色列合作團(tuán)隊(duì)。雖然這些團(tuán)隊(duì)形成時(shí)間更早，經(jīng)過(guò)努力，上海交大的金賢敏團(tuán)隊(duì)仍獲得以下優(yōu)勢(shì)：

首先英國(guó)團(tuán)隊(duì)和意大利團(tuán)隊(duì)制備光波導(dǎo)芯片的尺寸非常有限，通常為一維陣列且波導(dǎo)數(shù)目不超過(guò)50，德國(guó)以色列團(tuán)隊(duì)能制備二維陣列，然而波導(dǎo)數(shù)目也不超過(guò)100，而金賢敏使用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)，通過(guò)幾年的參數(shù)摸索經(jīng)驗(yàn)積累，可以制備每個(gè)陣列的波導(dǎo)數(shù)目可以高達(dá)2500且性能穩(wěn)定的超大規(guī)模二維陣列。2017在牛津大學(xué)交流報(bào)告時(shí)，對(duì)方看到金賢敏團(tuán)隊(duì)所展示的超大波導(dǎo)陣列上的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)圖片，非常驚嘆，給出很高的評(píng)價(jià)。

金賢敏團(tuán)隊(duì)另一優(yōu)勢(shì)在于制備芯片的高效性。英國(guó)團(tuán)隊(duì)和意大利團(tuán)隊(duì)使用芯片需要多方協(xié)調(diào)：英國(guó)芯片由南安普頓大學(xué)加工，而送到牛津大學(xué)等其他大學(xué)使用，意大利芯片制備方和使用方分別在羅馬和米蘭，往往從提交任務(wù)到收到芯片需要數(shù)月。而金賢敏團(tuán)隊(duì)自主制備光子芯片，不到一天的時(shí)間內(nèi)就能制備總計(jì)上萬(wàn)根波導(dǎo)的許多組陣列，科研上可以很快得到反饋。

第三個(gè)優(yōu)勢(shì)在于研究量子信息的專(zhuān)業(yè)性。德國(guó)以色列團(tuán)隊(duì)雖然早在2008年就開(kāi)始制備光學(xué)芯片，但將其用于光學(xué)和傳統(tǒng)物理的研究，團(tuán)隊(duì)沒(méi)有量子研究的基礎(chǔ)。金賢敏在創(chuàng)立團(tuán)隊(duì)之前已有十幾年量子信息的研究經(jīng)歷，從初建團(tuán)隊(duì)就是專(zhuān)注于光學(xué)集成芯片在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用，成為國(guó)際少有的能夠同時(shí)自主制備二維光子芯片和開(kāi)展量子信息研究的獨(dú)立型團(tuán)隊(duì)。

另辟蹊徑開(kāi)發(fā)更加高效量子計(jì)算資源

在過(guò)去20年里，想要增加量子態(tài)演化維度，往往通過(guò)增加光子數(shù)的方式，這需要克服非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：每個(gè)光子的效率都是有限的，而全部光子的效率相乘，乘積則會(huì)變得更小，而且整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括各種大大小小的透鏡波片，牽一發(fā)則動(dòng)全身，想要得到有效的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)操作難度可想而之。

而金賢敏團(tuán)隊(duì)在掌握了傳統(tǒng)的多光子技術(shù)的同時(shí)，開(kāi)發(fā)了空間二維的維度來(lái)增加絕對(duì)計(jì)算能力。這項(xiàng)最大規(guī)模的空間二維量子行走實(shí)驗(yàn)演示，就不是通過(guò)傳統(tǒng)的增加光子數(shù)的方式，而是通過(guò)增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復(fù)雜度來(lái)提升量子態(tài)空間尺度?；谌S光學(xué)集成芯片的空間二維量子行走，耦合效率高，而且由于復(fù)雜空間演化結(jié)構(gòu)都集成在芯片內(nèi)，不需要調(diào)節(jié)多光子實(shí)驗(yàn)中大量的透鏡波片，因而實(shí)驗(yàn)臺(tái)更加小巧便捷，操作也更加穩(wěn)定。

這種另辟蹊徑蹊徑開(kāi)發(fā)更加可行資源的方法，對(duì)于未來(lái)量子模擬計(jì)算的研究帶來(lái)很大的啟示。

量子信息時(shí)代中國(guó)科研工作者的使命

量子信息已經(jīng)經(jīng)歷廣泛原理性驗(yàn)證，正走出實(shí)驗(yàn)室，走向?qū)嵱没孔有畔⑿酒芍陵P(guān)重要。上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)將不斷致力于量子信息技術(shù)芯片化和集成化研究，通過(guò)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)構(gòu)建尺度和復(fù)雜度上都達(dá)到全新水平的光量子系統(tǒng)，推動(dòng)新物理的探索和大規(guī)模光量子模擬計(jì)算機(jī)的研究。

金賢敏表示，在20世紀(jì)40-70年代計(jì)算機(jī)技術(shù)初步發(fā)展時(shí)期，基本上只有歐美數(shù)國(guó)活躍的身影；在量子計(jì)算這新一輪科技浪潮中，中國(guó)正以積極主動(dòng)、昂然向上的姿態(tài)參與到國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)合作中，中國(guó)不只在”墨子號(hào)”量子通信方面大揚(yáng)國(guó)威，也在光子玻色采樣機(jī)、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、量子云等方面層層突圍，現(xiàn)在又在集成光學(xué)量子計(jì)算芯片和模擬量子計(jì)算方面引領(lǐng)新的國(guó)際前沿。中國(guó)學(xué)者不斷取得科學(xué)突破，后盾是中國(guó)國(guó)力的強(qiáng)大，和對(duì)國(guó)家科學(xué)技術(shù)的高度重視和大力支持。作為當(dāng)代的中國(guó)科學(xué)工作者，深感幸運(yùn)亦倍受激勵(lì)！

本項(xiàng)研究以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”為題在Science Advances（《科學(xué)進(jìn)展》） (Sci.Adv., eaat3174, 2018) 上發(fā)表，通訊作者為金賢敏特別研究員，第一作者為助理研究員唐豪博士，其他作者還包括林曉峰博士和博士生馮振、高俊等。本項(xiàng)目受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFA0303700)，國(guó)家自然科學(xué)基金(61734005、11761141014、11690033及11374211)，上海市教育委員會(huì)創(chuàng)新項(xiàng)目 (14ZZ020), 上?？莆?15QA1402200), 國(guó)防科技大學(xué)高性能計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(201511-01)、青年千人計(jì)劃以及上海交大致遠(yuǎn)學(xué)院的大力支持。