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国防科技大学QUANTA团队再出重磅成果,研发新型可编程硅基光量子计算芯片!

olivia chan

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继2021年2月8日本源量子发布我国第一个具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”之后,我们距离量子计算机的实际应用似乎又前进了一大步。其中,量子漫步的实现对研发量子计算机具有开创性的重大意义,通过它可以应用新的算法,并极大提高数据检索速度。

近日,国防科学技术大学计算机学院QUANTA团队联合军事科学院、北京量子信息科学研究院、中山大学光电材料与技术国家重点实验室和电子信息技术学院等国内外单位,研发出一款完全可编程的硅基光量子芯片。该芯片能够模拟相关粒子的量子漫步动力学,并对包括汉密尔顿量,量子漫步演化时间,粒子可分辨性和交换对称性等所有重要参数进行调控。

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(使用的多粒子模拟方案,光子装置和实验装置的示意图,图摘自论文)

研究团队通过实施两个同时作用于二分光子纠缠态的两方的可重配置五模式操作来实现该设备:通过两个芯片上的光子对源产生空间纠缠,然后操纵光子对源以连续调整可分辨性,并对2个模拟粒子交换对称性; 然后通过使用五个模式通用光学电路,两个粒子在任何五顶点图上经历连续时间量子漫步(continuous-time quantum walks, CTQWs)。

该芯片可在任何五顶点图上实现纠缠的双光子量子游走,并且具有连续可调的粒子交换对称性和不可区分性。研究团队将该设备应用于量子漫步算法,以搜索图中的顶点并测试图的同构性,并在292个不同的图形中的每个图形上实现了多达100个采样的量子步长演化时间步长。这为传统上难处理的应用打开了通往大规模可编程量子步态处理器的道路。

研究证明,由可重构线性光学网络与可控纠缠光子组成的光子电路设计可以实现通用量子游走,因此可以在单个设备上模拟数千个CTQW演化,以进行量子游走动力学和基于量子游走的算法。这种方法提供了完全的可编程性,并且可以控制量子漫步的特性,因此比模拟系统具有更大的灵活性和功能。与数字量子计算机相比,它在短期内更可能实现。这项工作为工程光子处理器提供了一条可行的途径,以实现经典的棘手的量子漫步应用,还可以模拟具有各种粒子类型的大规模量子多体系统,该系统可进一步用于研究多费米子行为,以及分数量子干扰现象。

该研究成果以论文形式在线发表于Science Advances期刊上,题为“Implementing graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walk processor”(在硅光子量子步行处理器上实现图论量子算法)。

论文链接:

DOI:10.1126 / sciadv.abb8375

关于QUANTA团队

QUANTA,是国防科技大学计算机学院吴俊杰带领的团队。2019年11月4日,QUANTA团队联合信息工程大学等国内外科研机构,提出了量子计算模拟的新算法。该算法在“天河二号”超级计算机上的测试性能达到国际领先水平,取得量子霸权标准成果。


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