光学量子计算

研究方向

以光子为信息载体的量子信息技术是集量子物理学、光科学工程和计算机科学等学科交叉融合发展起来的新一代信息技术。诸多里程碑性的量子信息处理方案都是率先通过光量子比特得以实现的。光学量子计算的核心硬件主要包括量子光源、光量子线路和光子探测,以量子模拟机的架构,用于快速模拟具有高复杂度的科学问题。

光量子信息技术的发展,经历了早期的理论与基本原理验证,以及随后简单少数几个量子比特操作的实验演示,正在迈向具有一定计算复杂度的高性能光量子处理器原型机新阶段。目前,中国研究团队已经在实验室产生了同时具备高系统效率(33%)、高纯度(97%)和高全同性(90%)的高品质单光子源和基于参量下转换的10光子纠缠。在此基础上,光学量子计算的基本操作(如概率性的控制逻辑门)和各种算法(大数分解算法、数据库搜索、线性方程组求解算法、机器学习、波色取样)的简单演示验证也已经实现。在光量子线路可集成的研究方面,麻省理工学院、牛津大学、布里斯托大学、维也纳大学、昆士兰大学等小组基于硅光子学、铌酸锂波导、二氧化硅波导等平台,通过刻蚀或激光直写等方式产生10个通道左右的量子线路用于少数光子数的原理性研究。在单光子探测方面,美国国家技术标准局、荷兰代尔夫特大学等机构以及可以生产同时具备高探测效率(93%),高重复频率(150MHz)的超导纳米线单光子探测器。同时,国际上多个小组也开始开展把量子光源、线路和探测全部集成在一个波导片上的研究,这方面目前总体上还处于初步的阶段。

和国际各顶尖研究组、谷歌等机构发展超导量子计算的战略线路类似,发展光学量子计算也将有三个阶段性的里程碑:近期,达到在某些特定问题上具有超越经典计算能力的“量子称霸”;中期,实现具有实用价值的量子模拟机;远期,制备更大规模的量子模拟机以及普适量子计算机。近期,在欧美,也出现了产业界风险投资介入广学量子计算的研发。

相关论文

  • Liu, C., Huang, H. -L., Chen, C., Wang, B. -Y., Wang, X. -L., Yang, T., Li, L., Liu, N. -L., Dowling, J., Byrnes, T., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. Demonstration of topologically path-independent anyonic braiding in a nine-qubit planar code. Optica 6, 264 (2019).
  • Chen, M. -C., Liu, C., Luo, Y. -han, Huang, H. -L., Wang, B. -Y., Wang, X. -L., Li, L., Liu, N. -L., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. Experimental demonstration of quantum pigeonhole paradox. Proceedings of the National Academy of Sciences 116, 1549-1552 (2019).
  • Wang, H., Hu, H., Chung, T. -H., Qin, J., Yang, X., Li, J. -P., Liu, R. -Z., Zhong, H. -S., He, Y. -M., Ding, X., Deng, Y. -H., Dai, Q., Huo, Y. -H., Sven, ofling, Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. On-Demand Semiconductor Source of Entangled Photons Which Simultaneously Has High Fidelity, Efficiency, and Indistinguishability. Physical Review Letters 122, 113602 (2019).
  • Zhong, H. -S., Li, Y., Li, W., Peng, L. -C., Su, Z. -E., Hu, Y., He, Y. -M., Ding, X., Zhang, W., Li, H., Zhang, L., Wang, Z., You, L., Wang, X. -L., Jiang, X., Li, L., Chen, Y. -A., Liu, N. -L., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. 12-Photon Entanglement and Scalable Scattershot Boson Sampling with Optimal Entangled-Photon Pairs from Parametric Down-Conversion. Physical Review Letters 121, 250505 (2018).
  • Wang, X. -L., Luo, Y. -han, Huang, H. -L., Chen, M. -C., Su, Z. -E., Liu, C., Chen, C., Li, W., Fang, Y. -Q., Jiang, X., Zhang, J., Li, L., Liu, N. -L., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. 18-Qubit Entanglement with Six Photons Three Degrees of Freedom. Physical Review Letters 120, 260502 (2018).
  • Huang, H. -L., Wang, X. -L., Rohde, P., Luo, Y. -han, Zhao, Y. -W., Liu, C., Li, L., Liu, N. -L., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. Demonstration of topological data analysis on a quantum processor. Optica 5, 193 (2018).
  • Chen, C., Ding, X., Qin, J., He, Y., Luo, Y. -han, Chen, M. -C., Liu, C., Wang, X. -L., Zhang, W. -J., Li, H., You, L. -X., Wang, Z., Wang, D. -W., Sanders, B., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. Observation of Topologically Protected Edge States in a Photonic Two-Dimensional Quantum Walk. Physical Review Letters 121, 100502 (2018).
  • Wang, H., Li, W., Jiang, X., He, Y. -M., Li, Y. -H., Ding, X., Chen, M. -C., Qin, J., Peng, C. -Z., Schneider, C., Kamp, M., Zhang, W. -J., Li, H., You, L. -X., Wang, Z., Dowling, J., ofling, S., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. Toward Scalable Boson Sampling with Photon Loss. Physical Review Letters 120, 230502 (2018).
  • Su, Z. -E., Tang, W. -D., Wu, D., Cai, X. -dong, Yang, T., Li, L., Liu, N. -L., Lu, C. -Y., Zukowski, M. & Pan, J. -W. Experimental test of the irreducible four-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger paradox. Physical Review A 95, 030103 (2017).
  • Wang, H., He, Y. -M., Li, Y. -H., Su, Z. -E., Li, B., Huang, H. -L., Ding, X., Chen, M. -C., Liu, C., Qin, J., Li, J. -P., He, Y. -M., Schneider, C., Kamp, M., Peng, C. -Z., ofling, S., Lu, C. -Y. & Pan, J. -W. High-efficiency multiphoton boson sampling. Nature Photonics 1-5 (2017). doi:10.1038/nphoton.2017.63