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上交大团队制备全球最大规模的光量子计算芯片,量子计算何时商用?
时间:2019-05-31 12:45

摘要:雷锋网消息,继5月8日阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布成功研制出当前世界最强的量子电路模拟器太章之后。最新一期

雷锋网消息,继5月8日阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布成功研制出当前世界最强的量子电路模拟器太章之后。最新一期美国《科学进展》杂志以《A chip that allows for two-dimensional quantum walks》为题报道了上海交通大学金贤敏团队通过“飞秒激光直写”技术制备出节点数达49×49的光量子计算芯片。据悉,这是目前世界上最大规模的三维集成光量子计算芯片。

量子计算机与传统计算机不同,量子计算是使用量子比特来存储数据,并且量子不像半导体只能记录0与1而是可以同时表示多种状态,量子计算的优势在于,一个40位的量子计算机能在很短时间内解开1024位计算机花数十年才能解决的问题。因此可以看到近年来国内外科技巨头都在争相研究通用量子计算机,IBM、谷歌、英特尔等也相继宣告实现了更高的量子比特数纪录,但业界共识是即使做出几十甚至更多量子比特数,没有做到全互连、精度不够并且无法进行纠错也无法实现通用量子计算。

上交大团队制备全球最大规模的光量子计算芯片,量子计算何时商用?

量子芯片具有可见的波导结构

二维自由演化的量子行走在实验中首次实现

过去20年里增加绝对计算能力的方式通常是制备更多光子数的量子纠缠,中国在这方面也一直保持优势,成功将光子数从 4 个提高到了 10 个,但增加光子数异常艰难。

不过,金贤敏表示,模拟量子计算不同于通用量子计算,可直接构建量子系统,无需像通用量子计算那样依赖复杂的量子纠错,一旦能够制备和控制的量子物理系统达到新尺度,将可直接用于探索新物理和在特定问题上推进远超传统计算机的绝对计算能力。

因此金贤敏团队另辟蹊径,通过增加量子演化系统的物理维度和复杂度来提升量子态空间尺度,开发了更加可行的全新量子资源,通过飞秒激光直写技术制备了节点数多达 49×49 的三维光量子计算芯片,这种目前世界最大规模的光量子计算芯片使得真正空间二维自由演化的量子行走得以在实验中首次实现。

具体来说,金贤敏团队通过发展高亮度单光子源和高时空分辨的单光子成像技术,直接观察光量子的二维行走模式输出结果。实验验证量子行走不论在一维还是二维演化空间中都具有区别于经典随机行走的弹道式传输特性(ballistic transport),这种加速传输正是支持量子行走能够在许多算法中超越经典计算机的基础。

瞬态网络特性(transient network)理论曾指出只在大于一维的量子行走中才实现,以往准二维量子行走实验在受限的量子演化空间无法观测网络传播特征。金贤敏团队的研究首次在实验中成功观测到了瞬态网络特性,进一步验证了所实现的量子行走的二维特征。

另据雷锋网(公众号:雷锋网)了解,金贤敏长期致力于光子芯片、量子存储、量子信息等方面的研究。2010年起赴英国牛津大学物理系做博士后,在光存储和光子芯片方面取得了一系列有重要影响力的研究成果。2012年同时获得欧盟授予的“玛丽居里学者”(Marie Curie Fellow)和牛津大学“沃弗森学院学者”(Wolfson College Fellow),并获资助依托牛津大学独立开展光存储和量子网络的实验研究。2013年起开始在上海交通大学组建光子集成与量子信息实验室,成为国内最早开展飞秒激光直写光量子芯片研究的单位之一。2014年11月辞去牛津大学的职位全职回到上海交通大学工作至今。

国内外巨头争相布局量子计算

需要指出的是,量子信息技术已经经历了广泛的原理性验证,但能否走出实验室实现商用取决于我们是否能够构建和操控足够大规模的量子系统。发展的光量子集成芯片技术无疑是攻克可扩展性难题有前景的途径,除此之外我们也看到了国内外科技巨头的积极参与。

国外巨头

IBM

作为在商业化上走得更远的企业,IBM 在2016 年就开发出了具有 5 位量子比特的量子计算机,把它提供出来作为量子计算云服务,供研究者使用。2017 年 11 月,IBM 宣布发布新型的 20 位量子比特的量子计算机,同样作为云服务对外提供,并且是正式商业化的产品。

IBM 还表示,他们的研究人员们已经成功开发出了一台 50 位量子比特的原型机。以往观点认为达到 50 位量子比特的量子计算机就可以模拟传统计算机的所有操作,但它的商业化日程尚未可知。

微软