【有一说一·量子系列科普之五(完)】量子计算机最新进展
来源:墨子沙龙 发布时间:2021-04-06

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非常容幸,能跟大家交流光量子计算和我们最近的实验进展,我叫王辉,是中科大的博士生。量子信息处理方面,有两个比较大的方向,一个是量子通信,这个大家从刚才的报告里面已经知道,很接近应用了。第二个方向就是量子计算和量子模拟,它还处于起步阶段,现在大多数实验只是在原理(层面进行研究)。现在大多数实验,就是你看新闻某某某造出来多么牛的计算机,其实没什么用,只是演示性的。虽然说我们的一小步,但是他对于量子计算的发展来说,有比较大的意义的。

什么是量子计算机

我首先要跟大家介绍一下什么是量子计算机。我这里写了一句话,利用量子力学原理进行数据和信息处理的机器,量子力学的原理包括什么呢,量子干涉这是一个,还有量子叠加,像刚才听的,利用量子力学的原理,来进行数据处理和信息处理的机器都叫做量子计算机。

有一些计算机叫做通用计算机,它可以处理很多问题。但是有一类量子计算机,也就是说对某一个问题处理的时候,相比经典计算机具有加速性。所以我们今天要讲的计算机,它就属于非通用的量子计算机。

其实这个量子计算机用的就是量子比特,就像下面这个图,你看这个是一个封闭的系统,为什么把它封闭,因为量子计算机是一个非常脆弱的系统,你必须要把外界隔绝地比较好的时候才能正常工作。


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量子计算机能干什么,我刚才说了,只能解决一些特定的问题。大家可能对这个量子计算机有一个误解,它好像什么事都能干。以为经典计算机能干的事情,他都能干。

当时我们把这个新闻放出来的时候,我的同学就问我,你们这个量子计算机搞出来的时候,打游戏是不是一点都不卡。我说不是,如果能到打游戏的程度,那我们就可以下岗了,就可以交给工程人员来解决了。它难度非常大,我们现在只能给大家演示它的原理的一些方面(或者小规模的算法演示),它只能处理一些特定的问题。很重要的一点就是它很快,它具有并行计算能力,因为量子比特是叠加态。经典比特操作的时候要么是0,要是1,而量子比特同时对0跟1进行操作的,然后它就具有指数的加速效应。

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我放这张图就是想说大家打游戏还是用大家自己的笔记本就可以了,量子计算机远远没有到那个程度。顺便我给大家推荐一下,这个是我们墨子沙龙跟sheldon工作室做的一个漫画,对我们的科研成果做了非常简单和非常清楚的介绍,而且比较严谨的一个漫画。


建造一台量子计算机,肯定需要满足一定条件,这个条件用学术上的话就是(DiVincenzo’s criteria)。DiVincenzo这是一个名字,这是外国人的名字,他提出了五个要求,同时满足这五个特点,才算是一台量子计算机。

这五条件指的是通用的量子计算机,所以大家来看一下第一条就是可拓展的量子比特。它是一个如果你用光子来做的话,那就是光子的偏振态,0跟1,它的就一个量子比特,还有原子,原子的话比如方向或者自旋,都可以来当做一个量子比特。

但是一定要注意定语,它叫可拓展的量子比特。可拓展的意思就是说,(如果)你要具备一个20个比特的光量子比特,你首先要产生20个光子(效率很重要),而且你要测量。真正能实现可拓展的量子力学系统其实不多的,它的这个效率要求非常高。

第二个就是,因为你要做操作,你首先要能制备出这个态(相当于做运算的初始条件)。

第三个就是要有长的相干时间,因为量子计算机加速性就是来自量子比特的相干叠加。因为量子比特是一个0跟1的相干叠加的,如果相干时间非常短(操作超出了相干时间),量子比特就会塌缩(变成经典比特),所以你就得不到量子的加速性。

但是满足这个条件的系统也非常少,经典计算机中,低电平是0,高电平是1,它没有相干时间这个概念。

第四个就是通用的量子逻辑门,这个可能有点太学术了,但是要建造量子计算机就需要这些理论。就是刚才赵有为展示了一打圈的框框有很多线的东西,就对应了这个量子逻辑门。最后一个还是要对量子比特进行测量如果满足这五个条件的话,就是通用的计算机。如果满足部分的条件,但是仍然具有加速性的(就是非通用量子计算机)

量子计算机现在大家研究比较多的系统,第一个就是光学系统,利用它的偏振、它的路径、角动量等自由度来做的。

现在国际上比较看好的是超导系统,大概有80%的人吧。第一个他已经实现了对单个比特(和两比特)的操作,它的操作精度非常高,这个是一个基本的要求。如果把这些操作精度能做得非常高的话,就可以像现在这个芯片一样,打印出来,整个系统相对来说比较容易扩展,他本身就是一些线路。所以现在80%的人认为他是一个最好的系统。冷原子和离子阱的话,超导和原子都需要在非常低的环境下来操作的。像我们的单光子从这里打出去,外界都不会对他干扰(但其他系统不是这样的)。

还有一个自旋系统,你可以把它想成单个电子的系统,单个电子有自旋(注释:现在用的系统中都是单电子系统,自旋的上和下就是一个qubit),你只要找一个系统,他里面出单个粒子,现在用得最多的系统是(硅)量子点(如澳大利亚Simmons组),它也是我们用来产生单光子的器件,它可以囚禁单个电子,对单个电子直接进行操作。

还有就是NV center(金刚石色心),大家可能听得比较多的,这里面有很多的缺陷(即缺少一个碳原子),碳原子被氮原子代替,缺陷仍然在,就会多出来一个电子,这个时候就可以对单电子进行微波操纵。这四个(系统)是比较有希望实现量子称霸的物理系统,但是最终哪个会胜出,现在还不知道。

光量子计算

因为我们的实验领域是基于固态量子点单光子的量子计算,所以下面着重介绍一下光量子计算。

在2001年的时候,有三位科学家从理论上证明了,利用单光子源、线型光学网络、(自适应)投影测量,就可以实现普适的量子计算。

第一部分是单光子源,我下面会着重介绍;第二部分就是线性光学网络,可以这样理解,假设你有一团弹珠,首先这五个弹珠是这样排列的,经过一个变换相当于什么呢,把这五个弹珠其中两个放到一起了,首先要保证这五个弹珠都在。它的数量根本没有变,但弹珠的排列变了,这个可以简单地这样理解。有了这个幺正变换,再加上投影测量,大家注意它应该叫做前馈投影测量,也就是说前面测量到的结果会影响后面测量基矢的选取,所以大家要注意(这句话视频剪切掉)。

有了这三个方面的话,它就可以实现普适量子计算。但是真正的系统里面,这三个方面都是很难实现的,而且最重要的就是这个单光子源,单光子源如果效果不高,它很难扩展到大规模,这个(单光子的效率)对光量子计算的研究是非常重要的。

单光子源,顾名思义,它是产生单个光子的源头,这个源头肯定是一个器件,单个光子比如说刚才PPT里面看到了,太阳光照到地面上,肯定是大多数光子同时照到地面,单个光子是什么概念,就是你把这一千瓦分成一千份,是1瓦,你把这个光子你再分分分,它不能再分了,这个时候它就是一个光子。一束太阳光照下来,已经有这么多光子了,从一团浑浊的水中去提取一滴清水,其实是非常难的。下面我会介绍一下我们这个量子点,因为我们产生单光子,我们光学计算里面一个重要的系统,这个后面我会再说。

通用计算大家都实现不了,咱们就想办法,因为我刚才说了,量子比特非常容易发生错误,发生错误的话肯定要有纠错机制,这个就是现在的量子纠错,这个技术还是很难的。

近几年是很难有突破的,所以科学家们想了一个办法,因为量子计算,理论上大家都说,它肯定比经典计算要快,但你怎么去做这样一台仪器来证明这个事情,所以就有量子称霸这样一个方向。

我构建一个量子计算的模型,构造出来后去执行已经设计好的算法,运行结果如果比现在的所有经典计算机都快,我就达到了量子称霸。在光学系统里面,玻色采样,是实现量子称霸的最有希望的方法之一。我们先不说玻色采样是什么,咱们现在说玻色采样计算的能力,这个里面的横轴是单光子的个数,纵轴是浮点运算次数,如果说我们有四个光子,我们可以跟世界上第一台电子计算机ENIAC差不多了,如果我们操作20个的话,我们跟这个奔腾处理器差不多了,如果我们再把光子数增多,增多到大约45个的时候,我们就跟这个超级计算机差不多。如果我们把这光量子计算机操作的光子数提高到45个(以上)的时候,(量子称霸的)目的就达到了。

波色采样

现在我说一下什么是玻色采样,这个东西很抽象,大家比较难懂,我先说一下它对应的经典(世界)里面比较像的模型,这个是一个板子,绿色的相当于钉的钉子,然后你从上面往下扔球,这个球下来要么往左走、要么往右走,这个就相当于我们玻色采样里面的部分分束器,我图里面画的是波导,这个分数器跟这个一样,那么这个分数器就相当于这个钉子,这个球往下走的时候,要么往左要么往右走。

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光子也是,光子进来看到分束器要么往这边走、要么往这边走,所以它是对应的。我扔很多球,它到下面,它会出来。假设这里面出了50次、这里面出了20次、这里面出了10次,这个是整个我扔一百次的分布。玻色采样本身是一个采样游戏,首先你要知道分布是什么,分布就是你的采样的样本空间了。大家有兴趣可以做做这个经典实验。

你把单光子扔到这个干涉仪中,这是由N个分束器组成的光路,干涉之后它从这个出口也有一个分布,但是去看分布的话,很复杂的一个分布,根本不是高斯分布。而且你去计算这个概率分布的话,是一个非常难的问题。我们现在用的这个加密系统,就是质数分解,你可以去检测,但是你不可能有效地计算。计算这个概率,是比质数分解还难的一个问题,如果在学术里面把它叫做#P-complete 难度的一个问题,它是一个比质数分解还要难的问题。如果这个规模足够大的话,计算一个的话你都需要两个多小时,这个是有人已经在天河2号做过的一个模拟,这就是玻色采样很难的地方。

我们只是把单光子打到我刚才说的幺正变换网络里面让他(干涉),看起来是一个很简单的过程,但是对于实验来说是一个很大的挑战,因为我们的单光子源,我们这个探测器,我们整个的实验系统的效率都是受限的。

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大家可以看一下我们整个实验是怎么实现它,玻色采样包括这三个部分,第一块就是单光子源,第三部分就是对光子进行探测,我们讲了很多次了。单光子源的话,我接下来会着重说一下这部分,我们会用一块半导体芯片,我们会有大概十的九次方这么多的量子点,我们选其中的一个进行激发会产生单光子,这个单光子因为它实际上是一连串的,我们要把光子打到不同的空间模式上去,我们要有一大堆粉色的这个东西要把它分开,分到不同的空间模式上,这个是它的作用。

我们单光子进去后,会有干涉,它必须要全同才能干涉。干涉之后我们再用这个探测器去探测,我们这个时间数字转换器都是记录每个到达的时间,我们就可以知道光子在哪几个出口出来多少次,我们就可以知道这个概率了,其实它是挺简单的。

单光子源

单光子源这一部分,它是InAs/GaAs两种不同的半导体材料组成的,因为他们的晶格常数不一样(由于应力释放形成了像山一样的东西)。山是怎么形成的,就是两个地壳运动的时候把它挤压挤压长出来的山,这个量子就是完全类似的过程,只不过它是纳米尺度的,我们这个量子点它的高度也就几个纳米,然后它的宽度也就是十几个纳米左右。这个山相当于一个势阱,会囚禁单个电子,我们经过光激发之后,我们可以确定性地激发(即将电子确定性的制备到激发态)。

这时候我们就产生单个光子了。但大家想一想因为它是一个点,光子是四面八方都发射的,这个时候我们很难,我们不可能拿一个器件把4π角所有的单光子收集到。因为它损耗光,我们怎么办呢,这时候我们把量子点放到微腔中去。这个图里面的圆点,可以把它想象成量子点。如果我们控制好条件的话,我们这个量子点会跟这个腔耦合,耦合的时候就只走这个方向,然后从侧面泄露的是非常少的,这样的话我们才可以产生非常高效率的量子点。

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我们产生的单光子大多数要看这三个指标,第一个是纯度,第二个是不可分辨性,第三个是效率,以三个参数做得越好,那单光子就是越牛。你产生的光子里面每一次只发生一个,我们这个光源中,一百个光子里面大概有98个是只发出一个,其他的有可能两个里面有多个光子,这个因为我们激发的时候,激发光和单光子是同频率的,我们没法把激光压制得非常好。不可分辨性,把两个光子交换一下连上帝都不知道谁是谁,这是不可分辨的,100个光子中,大概94个一交换就连上帝都不知道发生了什么,所以不可分辨性。

效率的话就是说你产生一百个,我们现在能收集到大概34个,即使这样我们现在还是最好的,因为如果你要再把它突破50%的时候,是有一个很大障碍的。这个是我们的单光子部分,我们可以跟国际同行来比较一下,你看一下瑞士的,瑞士的ETS,还有法国,还有美国加州,就是世界上很多知名小组都在攻克这个难题,咱们可以看一下它的参数,竖轴是光子的不可分辨性,就是说你两个光子交换一下,连上帝都看不出来差别的程度,这个肯定是越高越好。

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光子的效率这个是轴,当然是越高越好。也就是说这个图里面,越靠近右上边,它就越好。现在比我们原来(2016年)的效率高了三倍多,但是相对别人的话就是10倍以上了。不可分辨性的话而且我们2014年我们创造的这个记录,到现在依然保持着最高的记录。所以我们在单光子源方面,取得了这个成就也是保证了我们能实现玻色采样成功的基础。

干涉仪

这是一部分我说了玻色采样中的单光子源部分。另一个很重要的部分是干涉仪,它对光子做一个幺正变换。这个东西也很难做,因为你这个光子进去的话,有些材料会吸收,而且有些其他的影响的话会损耗掉。

 

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我们做了这样一个东西,大家可能看不出来,这个里面是有36个分束器,我们把它集成在一起,我们把它加工,镀膜,抛光,光胶粘合等很多道工艺之后我们才做出了这样一个器件。这个器件的线路图大约是这样的,其中每一个框框相当于一个MZ干涉仪。

我们看这个(器件的)效率,如果打进来100个光子,我在后面可以看到99个光子,只损耗一个光子,可以这样理解。玻色采样的重点是要干涉,两个单光子要干涉,所以波包一定要重叠得非常好,这些白色的都是分束膜,只有平行度非常高的时候,才能保证波包重叠非常好,我们做到了大于99%。国际上的其他组用波导,用光纤做,他们的效率只有30%-60%,所以这也是我们一个很大的改进。

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这个结果是我们的采样率,也就是你一秒钟能探测到的3个光子的计数,我们可以看一下下面,实际上是澳大利亚、维也纳组、罗马组,英国布里斯托大学组的结果,他们从2013年到2016年一直有实验出来,它们的采样率最高也只有0.1几,而我们已经到四千接近五千的采样率了,所以我们比国际同行高了两万四千倍。

如果你让ENIAC去做这个事情的话,它的采样率也就是这么多,用第一台电子管计算机做的话(这句话视频删掉),我们在他们之上,这是一台超越早期经典计算机的光量子计算机,这些定语是不能省略的。

这个是我们整个实验室的装置照片,我们说的量子点,就在灰色的柜子里面,它是可以产生4K的温度。量子点样品是不到指甲盖这么大的东西,大家看不到。产生的单光子,我们通过单模光纤传过来,一直传到这边的整个光学平台上,我们对他进行操作,干涉和探测,我们就完成所有实验了。这是部分照片,这是我们的部分照片。

我们总结一下,首先我们的量子点是效果最高的,我们这个干涉仪也是效果最高的,正由于此,我们成功的制造了世界上首台超越早期经典计算机的光量子计算机,或者是模拟机。还有我要跟大家说一下,有些人我看在网上争论的一个事情,就是我们到底是量子模拟机还是量子计算机,其实都是一样。但大家一定要知道它只是针对玻色采样这个问题的量子计算机。


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