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基于三維集成芯片的光量子計算原型機問世  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。  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。 |
