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中国科大在光量子计算领域取得重要突破:态空间维数提高百亿倍,玻色取样逼近里程碑

2020-01-03

我国科学技能大学潘建伟、陆向阳等与中科院上海微体系与信息技能研讨所尤立星以及德国和荷兰的科学家协作,在世界上初次完成了20光子输入6060方式干与线路的玻色取样量子核算,输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间,其维数高达三百七十万亿。这个作业一起在光子数、方式数、核算复杂度和态空间这四个要害方针上都大幅逾越之前的世界记载,其间,态空间维数比世界同行之前的光量子核算试验高百亿倍。论文以“修改引荐”方式近来宣布于世界学术权威期刊《物理谈论快报》。美国物理学会Physics网站以“玻色取样量子核算迫临里程碑”为题对该作业做了精选报导。


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量子核算机在原理上具有超快的并行核算才能,在一些具有严重社会和经济价值的问题方面比较经典核算机完成指数等级的加快。其时,研发量子核算机已成为前沿科学的最大应战之一,成为世界各国比赛的焦点。其间,量子核算研讨的第一个阶段性方针是完成“量子核算优越性”,即研发出量子核算原型机在特定使命的求解方面逾越经典的超级核算机。使用超导量子比特完成随机线路取样和使用光子完成玻色取样是现在世界学术界公认的演示量子核算优越性的两大途径。


面向这一战略方针,潘建伟、陆向阳研讨组长时间致力于可扩展单光子源和玻色取样量子核算的研讨。2013年,研讨组在世界上创始量子点脉冲共振激起,处理了单光子源确实定性和高质量这两个基本问题。2016年,研讨组研发了微腔准确耦合的单量子点器材,产生了世界最高功率的全同单光子源,并在此基础上,于2017年开始应用于构建逾越前期经典核算才能的针对玻色取样问题的光量子核算原型机,其取样速率比世界上其时的试验进步24000多倍。


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2019年,研讨组提出相干双色激起[Nature Physics 15, 941 ]和椭圆微腔耦合[Nature Photonics 13, 770 ]理论计划,在试验上一起处理了单光子源所存在的混合偏振和激光布景散射这两个最终的难题,并在窄带和宽带微腔上成功研发出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高功率的单光子源,相关效果被选为《天然光子学》封面文章。加拿大滑铁卢大学Reimer教授以“The quest for a perfect single-photon source”为题专门对这一效果宣布谈论文章,指出:“之前,世界上对完美单光子器材的探寻继续了二十年,但是这三项方针从未一起完成过”,“这项开创性的研讨是完成完美单光子源的里程碑式成果”。


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我国科大研讨组使用自主开展的世界最高功率和最高质量单光子源、最大规划和最高透过率的多通道光学干与仪,并经过与中科院上海微体系与信息技能研讨所尤立星在超导纳米线高功率单光子探测器方面的协作,成功完成了20光子输入6060方式干与线路的玻色取样试验。与牛津大学、维也纳大学、法国国家科学院、布里斯托大学、昆士兰大学、罗马大学、麻省理工学院、马里兰大学等研讨机构的世界同行的相似作业比较,试验成功操作的单光子数增加了5倍,方式数增加了5倍,取样速率进步了6万倍,输出态空间维数进步了百亿倍。其间,因为多光子高方式特性,输出态空间达到了三百七十万亿维数,这等效于48个量子比特打开的希尔伯特空间。因而,试验初次将玻色取样推进到一个全新的区域:无法经过经典核算机直接全面验证该波色取样量子核算原型机,朝着演示量子核算优越性的科学方针迈出了要害的一步。


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审稿人指出:这个作业“在处理要害问题上迈出了重要几步”、是“令人形象深入的技能成果”、“一个巨大的腾跃”、“不仅是对光量子核算才能的一次有影响力的测验,更是通往完成量子核算优越性的绷簧跳板”。美国物理学会Physics网站对该作业的总结指出:“这意味着量子核算范畴的一个里程碑:挨近经典核算机不能模拟量子体系的境地”。


该研讨作业得到了天然科学基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省、上海市科委等单位的支撑。


相关链接:


论文:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.250503


美国物理学会报导:https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.250503


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