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?最大規(guī)模光量子芯片誕生,一枚“玻璃片”為量子計(jì)算提速

文章出處:嵌入式 責(zé)任編輯:上海現(xiàn)易電子元器件有限公司 發(fā)表時(shí)間:2018-05-17

  一個(gè)個(gè)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(jié)果。下面就隨嵌入式小編一起來了解一下相關(guān)內(nèi)容吧。

  一個(gè)量子計(jì)算過程完成,而其中最關(guān)鍵的就是這枚“玻璃片”。在燈光下,從某個(gè)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(gè)光波導(dǎo),所以就像光柵一樣呈現(xiàn)為彩色。

  這就是上海交通大學(xué)金賢敏研究團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī),這枚光量子芯片可以針對特定問題實(shí)現(xiàn)算力加速。以此為內(nèi)核,在絕對計(jì)算能力上有望超越傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

  光量子芯片的算力到底有多大

  光量子芯片實(shí)現(xiàn)了量子加速,比如未來可以設(shè)定一個(gè)優(yōu)化算法,經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要100分鐘解決的話,光量子計(jì)算機(jī)只需要10分鐘,以此類推。問題越復(fù)雜,量子加速帶來的優(yōu)越性就越明顯。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)在絕對計(jì)算能力上超越了現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力極限時(shí), “量子霸權(quán)”就實(shí)現(xiàn)了,這是量子物理學(xué)家的孜孜不倦追求。

  

 最大規(guī)模光量子芯片誕生,一枚“玻璃片”為量子計(jì)算提速

  過去20年里,增加絕對計(jì)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(gè)提高到了10個(gè),但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。金賢敏團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑,通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復(fù)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(jì)算機(jī)的研發(fā)具有重要意義。

  “最大規(guī)模”是此次金賢敏團(tuán)隊(duì)發(fā)布的光量子芯片的一個(gè)關(guān)鍵詞。在這枚光量子芯片里節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)49×49個(gè),也就是2401個(gè)節(jié)點(diǎn)。正是這種目前世界最大規(guī)模的光量子計(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),并將促進(jìn)未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實(shí)現(xiàn)。

  通過飛秒激光直寫技術(shù),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(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)年的努力,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到參數(shù)摸索優(yōu)化,不斷積累經(jīng)驗(yàn),終于在光量子芯片的規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了超越,但實(shí)用征程仍然漫長。

  在特定問題上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)

  “在研究者的實(shí)驗(yàn)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(gè)過程和系統(tǒng)形成了一臺模擬量子計(jì)算機(jī)。”金賢敏說。

  

最大規(guī)模光量子芯片誕生,一枚“玻璃片”為量子計(jì)算提速

  所謂“模擬量子計(jì)算機(jī)”,就是指專用量子計(jì)算機(jī)。相比于基于量子門的通用量子計(jì)算機(jī)(即數(shù)字量子計(jì)算機(jī)),它可通過構(gòu)建量子物理系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn),而不需要依賴復(fù)雜的量子糾錯(cuò),因此更加可行。作為模擬量子計(jì)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?qū)⑻囟ㄓ?jì)算任務(wù)對應(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)化問題,展現(xiàn)出遠(yuǎn)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。

  金賢敏對科技日報(bào)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(jī)行走的問題上超過了經(jīng)典隨機(jī)行走的表現(xiàn)。但是要將這種超越付諸于實(shí)際應(yīng)用,還是一個(gè)艱難和漫長的過程。

  “我們可以期待一些原理性的應(yīng)用,比如將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)排序、搜索問題、優(yōu)化問題等映射到二維空間隨機(jī)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(jì)算概念,光量子芯片由于其高集成度和高穩(wěn)定性,更易構(gòu)建足夠復(fù)雜的專用量子計(jì)算機(jī),用于解決一些特定實(shí)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(xiàng)指標(biāo)上,在材料、工藝和混合芯片構(gòu)架上,以及在與量子計(jì)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(shí)推進(jìn),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),實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)新物理的探索和量子信息技術(shù)的實(shí)用化。

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