國科大推出可編程硅基光量子計算芯片，實現(xiàn)292個圖像的量子漫步模擬，研究登上Science

大數(shù)據(jù)文摘出品

作者：Caleb

 

我國量子芯片再出重要成果。

 

繼潘建偉團隊的“九章”率領(lǐng)中國率先實現(xiàn)量子優(yōu)越性后，根據(jù)新華社報道，國防科技大學(xué)計算機學(xué)院QUANTA團隊聯(lián)合軍事科學(xué)院、中山大學(xué)等國內(nèi)外單位，研發(fā)出了新型可編程硅基光量子計算芯片，可實現(xiàn)多種圖論問題的量子算法求解，有望未來在大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

 

該研究論文以Implementing graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walk processor為名發(fā)表在了Science Advances上。

 

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/9/eabb8375

 

根據(jù)論文介紹，研究人員在292個不同圖像上，均實現(xiàn)了對100個量子漫步的時間步驟模擬，這為傳統(tǒng)上難處理的應(yīng)用打開了通往大規(guī)?？删幊塘孔硬綉B(tài)處理器的道路。

 

這款新型芯片采用CMOS兼容硅光子學(xué)方式制造，具備大規(guī)模生產(chǎn)潛力，未來或可用于實現(xiàn)量子信息處理和量子模擬，為解決數(shù)據(jù)庫搜索、圖同構(gòu)問題提供量子加速。

 

量子漫步是什么？它有啥優(yōu)勢

等等！

 

量子計算機、量子計算芯片聽得還算多，這量子漫步又算是怎么回事？

 

從概念上來說，量子漫步（Quantum Walk）是一種量子物理世界的獨特數(shù)學(xué)模型，是一類重要的量子計算模型，也是許多量子算法的重要內(nèi)核。

 

不過，要理解量子漫步，可以把它和經(jīng)典隨機漫步（Random Walk）對比著來看。在經(jīng)典隨機漫步中，一個粒子是隨機地繞著一個離散空間漫步。單位時間內(nèi)，粒子每“漫步一步”的方向和位移由一個隨機變量來刻畫，有一半概率向左，一半概率向右。

 

在量子世界中，由于由疊加（superposition）、量子干涉（quantum interference）、糾纏（entanglement）等量子狀態(tài)的影響，粒子“漫步一次”的位移則具備著更多的可能性。換句話說，單位時間內(nèi)，粒子不一定只能往左或往右，它可能同時往左又往右。

 

 

也正是得益于量子漫步的這種可能性，其速度也遠遠快于經(jīng)典隨機漫步，同時還能夠加速模式識別、計算機視覺、網(wǎng)絡(luò)分析和導(dǎo)航、網(wǎng)站流量優(yōu)化等方面的應(yīng)用。

 

在這次的新型可編程硅基光量子計算芯片，也正是基于這種結(jié)構(gòu)，科研人員采用硅基集成光學(xué)技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了可編程光量子計算芯片。芯片上集成了糾纏光子源、可配置光學(xué)網(wǎng)絡(luò)等，通過電學(xué)調(diào)控片上元件實現(xiàn)對光量子態(tài)的操控，從而實現(xiàn)量子信息的編碼和量子算法的映射，具有高集成度、高穩(wěn)定性、高精確度等優(yōu)勢。

 

通過對所研制光量子計算芯片的編程運行，演示了頂點搜索、圖同構(gòu)等圖論問題量子算法的求解。未來，隨著芯片規(guī)模和光子數(shù)目的增加，芯片可支持實現(xiàn)的圖問題規(guī)模將快速增長。

 

在292個不同圖像上均實現(xiàn)了100個量子漫步的時間步驟模擬

讓我們回到論文，論文中表示，該可編程硅基光量子計算芯片尺寸為11×3平方毫米，主要由兩個部分組成：糾纏光子對的產(chǎn)生（entangled photon-pair generation）和通用線性光學(xué)變換（universal linear optical transformation）。

 

該芯片主要包括2個自發(fā)四波混合（SFWM）光子源，22個同時運行的熱光學(xué)移相器，32個多模干涉儀分光器，和16個光柵耦合器（未顯示）。

 

 

通過對所研制光量子計算芯片的編程運行，研究人員還演示了頂點搜索、圖同構(gòu)等圖論問題量子算法的求解。結(jié)果顯示，研究人員借助該芯片，在292個不同圖像上均實現(xiàn)了100個量子漫步的時間步驟模擬。

 

基于量子漫步的GI算法的實驗演示

 

“這種方式提供了完全的可編程性和對量子漫步特性的控制，因此，其相比模擬系統(tǒng)具備更大的靈活性和性能。相比數(shù)字量子計算機，（基于可編程硅基光量子計算芯片的）量子計算機更可能在短期內(nèi)實現(xiàn)?！?/span>

 

在實現(xiàn)較大規(guī)模應(yīng)用方面，基于可編程硅基光量子計算芯片量子計算機的糾纏結(jié)構(gòu)可以通過兩種方式擴大，一個是增加光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的大小，另一個則可以通過使一個廣義P-partite糾纏光子態(tài)服從于廣網(wǎng)絡(luò)的P副本，來模擬具有可調(diào)粒子相關(guān)性的P-particle的量子漫步。

 

經(jīng)典計算發(fā)展路徑之下，最為重要的硬件產(chǎn)品——傳統(tǒng)硅基芯片，日益面臨著晶體管直徑逼近物理極限的問題。基于此，量子計算、革新芯片材料等研究方向成為一大熱門。

 

盡管傳統(tǒng)硅基芯片面臨著發(fā)展瓶頸，但作為代替方案的量子計算應(yīng)用研究仍然處于初期階段。但是我們可以相信，在國防科技大學(xué)新型可編程硅基光量子計算芯片的帶領(lǐng)下，我國的量子計算技術(shù)在未來能夠快速落地應(yīng)用。

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