新智元專欄
作者：上海交通大學金賢敏團隊
【新智元導讀】近日，上海交通大學金賢敏研究團隊發佈了最新研究成果：全球首個基於光子集成芯片的物理系統可擴展的專用光量子計算原型機。該團隊首次在實驗上實現了一種叫做“快速到達”問題的量子加速算法。該項研究開啓了利用量子系統的維度和尺度作爲全新資源研發專用光量子計算機的新路線圖。
10 月 29 日，最新一期國際權威學術期刊《自然•光子學》(影響因子：37.85) 以“Experimental quantum fast hitting on hexagonal graphs” 爲題發表了上海交通大學金賢敏研究團隊最新研究成果，報道了首個基於光子集成芯片的物理系統可擴展的專用光量子計算原型機，首次在實驗上實現了“快速到達”問題的量子加速算法。
該研究團隊在飛秒激光直寫製備的三維光量子集成芯片中成功構建了大規模六方粘合樹並演示了量子快速到達算法內核，相比經典情形展示了平方級加速，而且最優效率提高一個數量級。
該項研究開啓利用量子系統的維度和尺度作爲全新資源研發專用光量子計算機的路線圖。
首次在複雜六方粘合樹結構實現量子加速優勢
近年來，關於通用量子計算機的新聞屢見於報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現了更高的量子比特數紀錄。但是業界共識是，即使做出幾十個甚至更多量子比特數，如果沒有做到全互連、精度不夠並且無法進行糾錯，通用量子計算仍然無法實現。即使以現在各種量子比特載體可以實現的極限操控精度，進行量子糾錯，通用量子計算機需要高達上百萬個量子比特才能真正超越經典計算機。
專用量子計算，由於可以直接構建量子系統，不需要依賴複雜的量子糾錯，因而相對於通用量子計算具有更靈活的實現方式和更高的可行度。一旦能夠製備和控制的量子系統達到全新尺度，將可以直接用於探索新物理和在特定問題上推進遠超經典計算機的絕對計算能力。
量子行走作爲專用量子計算的重要內核，已經在許多優化算法中被理論預測具有明顯量子加速效果。其中，對於粘合樹結構上的快速到達(Fast Hitting)問題，量子行走的優勢尤爲突出。量子行走具有天然的疊加態特性，在面對分叉選擇的時候，不是選擇左或者右，而是可以選擇左和右的疊加態，使得量子行走在粘合樹結構上可以輕鬆“快速到達”，對優化、搜索等實際問題都有潛在的廣泛應用前景。只是，常規的二叉粘合樹的節點數目隨着層數增加呈指數級增加，會迅速耗盡幾何上的製備空間，因此是不可擴展的。
圖一：粘合樹結構示意圖
今年5月，金賢敏團隊在美國《科學》雜誌子刊Science Advances上發表了世界最大規模的光量子計算集成芯片，並演示了首個真正空間上的二維量子行走[Science Advances 4, eaat3174 (2018)]。這項工作通過增加量子演化維度和系統尺度的方式來提升量子態空間的尺度，提供了一種可行的非常有前景的量子計算和處理資源。
在此基礎上，金賢敏團隊提出了一種具有充分可擴展性的六方粘合樹結構，並通過飛秒激光直寫技術成功映射到三維光量子集成芯片中。這種六方粘合二叉樹結構，即使層數很大，都可以在芯片中很好地用三維波導來實現。
實驗中首先根據理論預測的量子動態演化過程中最大的到達概率以及對應的最優演化長度，通過飛秒激光直寫技術製備最優演化長度附近的若干組芯片樣品。然後通過激光注入、CCD成像觀測芯片輸出的光強概率分佈，確定不同層數結構的最優演化長度。注入單光子量子光源，用高精度單光子成像觀測在最優“快速到達”情形下的演化圖形。
圖二展示了量子算法可實現約90%的最優到達效率，最優演化長度約爲25mm。而經典算法只能緩慢地達到最優演化情形，且最優到達效率只有6.25%，比量子行走小了一個多數量級。這是經典隨機行走的擴散傳輸本質導致的，出口節點達到的最優到達效率相當於1除以所有節點的數目。量子行走在複雜分叉結構時可以選擇左和右的疊加態，從而在最優到達效率和最優演化長度都實現明顯的優勢。
圖二：2層六方粘合樹“快速到達”的量子算法和經典算法結果對比
研究人員將六方粘合樹的層數逐步增大到8層，結構複雜度不斷提升。如圖三所示，在幾種不同層數結構中的最優到達情形中，出口波導都會聚了比大部分其他波導更高的光強，而經典情形是當出口節點達到最優時，所有節點的光強實現平均分配，因而最優到達效率非常低。
研究人員進一步分析了量子行走和經典隨機行走在六方粘合樹結構上的“快速到達”表現隨着結構層數的量化關係。量子最優到達效率始終比經典最優到達效率高一個多數量級。而且對於最優到達效率所對應的最優演化長度，量子算法和經典算法分別需要與粘合樹層數呈線性及平方關係的演化長度。也就是說，量子算法對於“快速到達”問題在更大的任務尺寸上具有更大的優勢。
圖三：結構複雜度不斷增大的量子“快速到達”實驗結果
金賢敏研究團隊通過理論創新、高精度的芯片製備、單光子級的注入和成像等一系列努力，最終首次在複雜六方粘合樹結構“快速到達”問題中成功實現量子加速優勢。光量子集成芯片中的實驗結果與理論結果在最優到達效率及最優演化長度兩方面都吻合的很好，這與研究團隊過去三年所發展的飛秒激光直寫製備三維光量子集成芯片的精準工藝是分不開的。
首款專用光量子計算軟件已發佈，專用光量子計算原型機有望推動實際應用
金賢敏研究團隊所發展的基於三維光子集成芯片的大規模量子演化系統，使得研發各種物理系統可擴展的專用光量子計算原型機成爲可能。
同時，這種粘合樹結構很容易讓人聯想到計算機科學中的二元樹或決策樹，若能將量子算法運用到計算機科學中的優化、管理、及信息搜尋等各種實際問題中去，有望極大地推動量子計算機的實際應用。還有望用來解決許多跨學科交叉的科學問題並衍生新興研究領域，比如與實驗室天文學模擬、量子人工智能[Physical Review Letters 120, 240501 (2018)]、量子拓撲光子學[arXiv:1810.01435 (2018)]、生物醫藥及成像等學科相互關聯的綜合性研究。今年10月初，金賢敏團隊剛剛發佈了首款專用光量子計算軟件FeynmanPAQS [arXiv: 1810.02289 (2018)]，也是旨在讓量子計算面向更加廣泛的科研學者、工程師和熱心科普的羣體，力圖促進更多專用光量子計算算法的發現、基礎科研領域交叉、量子計算的工程化應用對接。
期待不久的將來，專用光量子計算機能夠真正爲各行業帶來更多令人欣喜的應用。
論文鏈接:
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