科研动态
基于光子芯片的量子计算取得重要进展

日期:2013-02-17 阅读:1277

新年伊始,2月15日出版的美国《科学》杂志刊登了我系特别研究员金贤敏及其英国牛津大学Clarendon实验室的合作者的最新研究成果:基于光子芯片的波色子采样量子计算实验研究[Science, 339, 798 (2013)]。在该工作中,他们用激光直写产生波导的方法制备了12端口的硅基光子芯片,检测并调控获得了芯片中的完整的线性变换矩阵。他们分别把3个和4个高品质单光子注入到芯片中并获得了与理论预期完全吻合的采样结果。这一实验清楚地提供了量子力学可加强计算能力的证据,同时为更大尺度的波色子采样量子计算机的实现奠定了基础。

就在1个月前,英国《自然通讯》刚刚发表了金贤敏和其英国合作者的另一个重要实验成果:多端口集成光器件上的多光子干涉实验[Nature Communications, 4, 1356 (2013)]。该工作解决了大尺度复杂芯片上多光子干涉行为的精确预测和验证问题。

他们的系列研究工作引起了国际学术界广泛关注。《自然》(Nature),《科学》(Science),《科学美国人》(Scientific American),《今日物理》(Physics Today),《物理世界》(Physics World),《新科学家》(New Scientist),IEEE Spectrum,PhysOrg,Live Science,ARS Technica 等均对此进行了报道。

                 图、构成波色子采样量子计算的光子芯片

虽然目前计算机技术飞速发展,按照著名的“摩尔定律”,集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍。预计到2023年工艺尺寸将达到几个纳米的尺寸极限。与经典计算机0和1编码不同,量子计算机使用量子比特即0和1的相干叠加态,可进行强大的并行处理,因此计算能力可呈指数增加。量子计算机因此被认为最有可能继续拓展人类计算技术能力的研究方项。目前设计的量子计算机要求高品质的量子逻辑门和量子纠缠态,已被证明非常难以在更大尺度更复杂系统中实现。

作为一种特殊的量子计算机,波色子采样机只需要单光子源,线性的态演化和探测,因而更容易在更大尺度上实验实现和实际应用。它可以对集成光线路上的非经典光干涉结果进行直接采样,运算瞬间完成。随着采样光子的数目增大,经典计算机完成运算所需时间将呈指数增加。光子数达到20个时,波色子采样机就可以打败常用的个人电脑。而当光子数达到100个时,即使最强大的超级计算机也不能在令人接收的时间里完成运算。该实验作为个起点,在更大尺度上实现并且真正意义上打败经典的最强大的计算机将不是个很遥远的事情了。

 

文章电子版:

* Multiphoton quantum interference in a multiport integrated photonic device

* Boson Sampling on a Photonic Chip

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