光量子计算:态空间维数提高百亿倍

记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟、陆朝阳等与中外合作者合作,在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算,输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间,其维数高达370万亿。这个工作同时在光子数、模式数、计算复杂度和态空间4个关键指标上都大幅超越之前的国际纪录,其中,态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍。研究论文日前以“编辑推荐”形式发表于《物理评论快报》上。

研制量子计算机已成为前沿科学的最大挑战之一,其中,量子计算研究的第一个阶段性目标是实现“量子计算优越性”(也称“量子霸权”),即研制出量子计算原型机在特定任务的求解方面超越经典的超级计算机。利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。

面向这一战略目标,在前期工作基础上,中国科大研究组利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪,成功实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样实验。与国际同行的类似工作相比,实验成功操纵的单光子数增加了5倍,模式数增加了5倍,取样速率提高了6万倍,输出态空间维数提高了百亿倍。其中,由于多光子高模式特性,输出态空间达到了370万亿维数,这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。因此,实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域:无法通过经典计算机直接全面验证该玻色取样量子计算原型机,朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。

审稿人评价该工作“在解决关键问题上迈出了重要几步”、是“一个巨大的飞跃”。美国物理学会Physics网站总结指出:“这意味着量子计算领域的一个里程碑:接近经典计算机不能模拟量子系统的地步。”

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