光量子計算:態空間維數提高百億倍

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科技日報合肥12月24日電 (記者吳長鋒)記者從中國科學技術大學獲悉,該校潘建偉、陸朝陽等與中外合作者合作,在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算,輸出了復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態空間,其維數高達370萬億。這個工作同時在光子數、模式數、計算復雜度和態空間4個關鍵指標上都大幅超越之前的國際紀錄,其中,態空間維數比國際同行之前的光量子計算實驗高百億倍。研究論文日前以“編輯推薦”形式發表于《物理評論快報》上。

研制量子計算機已成為前沿科學的最大挑戰之一,其中,量子計算研究的第一個階段性目標是實現“量子計算優越性”(也稱“量子霸權”),即研制出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經典的超級計算機。利用超導量子比特實現隨機線路取樣和利用光子實現玻色取樣是目前國際學術界公認的演示量子計算優越性的兩大途徑。

面向這一戰略目標,在前期工作基礎上,中國科大研究組利用自主發展的國際最高效率和最高品質單光子源、最大規模和最高透過率的多通道光學干涉儀,成功實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣實驗。與國際同行的類似工作相比,實驗成功操縱的單光子數增加了5倍,模式數增加了5倍,取樣速率提高了6萬倍,輸出態空間維數提高了百億倍。其中,由于多光子高模式特性,輸出態空間達到了370萬億維數,這等效于48個量子比特展開的希爾伯特空間。因此,實驗首次將玻色取樣推進到一個全新的區域:無法通過經典計算機直接全面驗證該玻色取樣量子計算原型機,朝著演示量子計算優越性的科學目標邁出了關鍵的一步。

審稿人評價該工作“在解決關鍵問題上邁出了重要幾步”、是“一個巨大的飛躍”。美國物理學會Physics網站總結指出:“這意味著量子計算領域的一個里程碑:接近經典計算機不能模擬量子系統的地步。”

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