能源光子学，生物光子学
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10月29日，最新一期国际知名学术期刊《自然?光子学》（影响因子：37.85）发表了上海交通大学金贤民研究团队题为“Quantum Fast Hit Experiments on Hexagonal Graphs”的文章，该论文的最新研究结果已公布。我们提出了第一份基于光子集成芯片上物理系统的可扩展专用光量子计算原型的报告，以及针对“快速到达”问题的量子加速算法的第一个实验实现。
研究团队在飞秒激光直写三维光子集成芯片中成功构建了大规模六角键合树，并证明算法核心可达到量子高速。与经典情况相比，它显示出平方级的加速度。最优效率提高了1个数量级。这项研究为开发专用光学量子计算机开辟了路线图，利用量子系统的维度和规模作为新资源。
近年来，有关通用量子计算机的新闻频频出现在报纸上，IBM、谷歌、英特尔等公司竞相宣布取得更高量子比特数的成果。但业界的共识是，即使创造了数十个甚至更多的量子比特，但它们没有完全互连、精度不够、无法进行纠错，通用量子计算仍然是不可能的，意味着无法实现。即使当今各种量子位载体可以实现最终的控制精度，通用量子计算机也需要多达数百万个量子位才能真正超越经典计算机的量子纠错。
专用量子计算可以直接构建量子系统，不需要依赖复杂的量子纠错，使得实现方法比通用量子计算更加灵活，更容易实现。随着可制备和控制的量子系统达到全新的尺度，它们将直接用于探索新的物理，经典计算机对某些问题的绝对计算能力将远远超过经典计算机，这将带来进步。量子行走作为专用量子计算的重要核心，理论上预计在许多优化算法中具有明显的量子加速效应。其中，量子行走的优势在胶树结构的快速打击问题中尤为明显。量子行走具有天然的叠加性，当面临分支选择时，它可以在左右叠加态之间进行选择，而不是选择左右，从而让量子行走“快速到达”胶树结构。”更轻松。它对于优化和搜索等实际问题具有广泛的潜在应用。然而，传统二叉胶树中的节点数量不可扩展，因为它随着层数的增加而呈指数级增长，并且几何准备空间很快就会耗尽。
图1：胶水树结构示意图
今年5月，金宪民团队在美国杂志Science Advances 《科学》上发表了全球最大的光量子计算集成芯片，展示了首次在真实空间中的二维量子行走[Science Advances 4, eaat3174 (2018)]。这项工作通过增加量子演化维度和系统规模来提高量子态空间的规模，提供可行且有前景的量子计算和处理资源。基于此，金宪民团队提出了一种完全可扩展的六方键树结构，并通过飞秒激光直写技术成功将其映射到三维光子集成芯片上。这种六边形耦合二叉树结构可以在芯片上的3D 波导中成功实现，即使具有大量层。
实验中，根据理论上预测的量子动态演化过程中的最大到达概率和相应的最佳演化长度，我们采用飞秒激光直写技术，编写了几组接近最佳演化长度的芯片样本。然后，通过激光注入和CCD成像观察芯片输出的光强概率分布，以确定不同层结构的最佳演化长度。我们注入单光子量子光源，并利用高精度单光子成像来观察最佳“快速到达”条件下的进化模式。图2显示，量子算法可以实现约90%的最佳到达效率和约25毫米的最佳部署长度。然而经典算法只能缓慢到达最优进化情况，最优到达效率仅为6.25%，比量子行走小几个数量级。这是由经典随机游走的扩散传播特性引起的，其中出口节点实现的最佳到达效率等于1 除以所有节点的数量。量子行走在复杂分支结构中运行时可以在左右叠加态之间进行选择，在最佳到达效率和最佳进化长度方面都具有明显的优势。
图2：两层六角连接树“快速到达”的量子算法和经典算法结果比较。
研究人员逐渐将六角连接树的层数增加到八层，结构的复杂度不断增加。如图3 所示，为了在几种不同层结构中实现最佳传输条件，出射波导比大多数其他波导集中了更高的光强度。典型的情况是出口节点达到最优节点的所有光强度。是均匀分布的，因此最优到达效率很低。
研究人员进一步分析了具有多个结构层的六边形连通树结构中量子游走与经典随机游走的“快速到达”性能之间的定量关系。量子最优到达效率总是比经典最优到达效率高一个数量级。此外，对于与最优到达效率相对应的最优演化长度，量子算法和经典算法需要分别与胶合树层数线性相关和平方相关的演化长度。换句话说，当任务规模较大时，量子算法对于“快速到达”问题具有更大的优势。
图3：随着结构复杂性的增加，量子“快速到达”的实验结果。
金宪民研究团队通过理论创新、高精度芯片制备、单光子级注入成像等一系列努力，最终成功解决了复杂六方键树结构的“瞬间到达”问题。一时间，我们成功实现了量子加速的好处。时间。光量子集成芯片的实验结果在最优到达效率、最优演化长度等方面与理论结果吻合较好，与研究团队近三年来研发的飞秒激光直写精度一致。工艺对于制造光子集成芯片至关重要。
金宪民研究团队开发的基于三维光子集成芯片的大规模量子演化系统，能够为各种物理系统开发可扩展的、专用的光量子计算原型。同时，这种胶水树结构很容易让人想起计算机科学中的二叉树和决策树，如果量子算法能够应用于计算机科学中的优化、管理和信息探索等各种现实问题，将会取得巨大进步将会做出，这是预料之中的。推动量子计算机实用化。它还解决了许多跨学科的科学问题，开辟了实验室天文学模拟、量子人工智能[Physical Review Letters 120, 240501 (2018)]、量子拓扑光子学[arXiv:1810.01435(2018)]等新的研究领域，也令人期待它将被用来生产。 ）]、生物医学、影像学以及其他相关的综合研究。今年10月初，金贤民团队刚刚发布了首款专用光量子计算软件FeynmanPAQS [arXiv: 1810.02289 (2018)]，该软件将被更广泛的科研人员、工程师和热心的科学传播者使用。旨在让团体能够使用量子计算。我们努力推进更加专注的光量子计算，包括计算算法的发现、基础科学研究领域的交叉、以及量子计算工程应用的对接。
在不久的将来，专用光学量子计算机可以真正为各个行业带来更令人兴奋的应用。
参考
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0282-5
http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaat3174
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.240501
https://arxiv.org/abs/1810.01435
https://arxiv.org/abs/1810.02289