光量子計(jì)算機(jī)研發(fā)獲進(jìn)展
光量子計(jì)算機(jī)研發(fā)獲進(jìn)展
來源：參考消息網(wǎng)
參考消息網(wǎng)5月21日?qǐng)?bào)道 《日本經(jīng)濟(jì)新聞》網(wǎng)站5月2日發(fā)表該網(wǎng)站客座編委吉川和輝的文章《以光制造量子計(jì)算機(jī)》，內(nèi)容如下：
隨著各種實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化的方式展開激烈競爭，人們的注意力開始集中在利用光的量子力學(xué)特性處理信息的光量子計(jì)算機(jī)上。東京大學(xué)副教授武田俊太郎正在利用他本人8年前發(fā)明的“環(huán)路型光量子計(jì)算機(jī)”，嘗試非線性計(jì)算處理，這是目前光量子方法難以攻克的領(lǐng)域。
2025年1月14日，武田在東京大學(xué)舉行新聞發(fā)布會(huì)，公布其在光量子計(jì)算機(jī)方面的最新研究成果。與NTT（日本電信電話公司）和NICT（日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)）的聯(lián)合研究項(xiàng)目公布的結(jié)果是“全球首次將具有強(qiáng)量子特性的光脈沖引入光量子計(jì)算平臺(tái)”，這一成果意義重大，據(jù)說是“超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)的突破”。
量子計(jì)算機(jī)“超越超級(jí)計(jì)算機(jī)”似乎理所當(dāng)然。2019年，谷歌宣布利用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)200秒內(nèi)完成了超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一萬多年才能完成的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”。
谷歌的“量子霸權(quán)”是針對(duì)特定問題實(shí)現(xiàn)的，如果不擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模、開發(fā)能夠處理大范圍計(jì)算的算法、在量子糾錯(cuò)技術(shù)上取得進(jìn)展，當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)就無法與超級(jí)計(jì)算機(jī)競爭。尤其是武田研究的光量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力存在根本性的弱點(diǎn)。武田說：“我們可以進(jìn)行相當(dāng)于加法和減法的線性計(jì)算，但目前還不能進(jìn)行相當(dāng)于乘法的非線性計(jì)算?！?/span>
量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化競爭正在激烈展開，不僅包括光量子，還包括超導(dǎo)、離子阱、冷原子和半導(dǎo)體。在其他方法中，物理系統(tǒng)本質(zhì)是非線性的，因此實(shí)現(xiàn)非線性操作相對(duì)容易。另一方面，由于光量子計(jì)算機(jī)中光子之間不直接相互作用，因此很難在硬件層面建立非線性計(jì)算機(jī)制。
為了解決這個(gè)問題，武田嘗試?yán)帽环Q為“薛定諤的貓”的特殊光脈沖狀態(tài)進(jìn)行量子計(jì)算。薛定諤的貓是光的正負(fù)振幅狀態(tài)疊加的特殊量子態(tài)，武田稱之為“具有強(qiáng)量子特性的光脈沖”。
光量子計(jì)算機(jī)大致可以分為操縱光子的“量子比特方法”和利用光波連續(xù)值疊加的“連續(xù)變量方法”。近年來，武田等人研究的連續(xù)變量方法發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，這種光量子計(jì)算機(jī)常常利用一種被稱為“壓縮光”的特殊光狀態(tài)，即光的量子漲落在特定方向上被壓縮。
壓縮光的量子態(tài)（維格納函數(shù)）的概率分布具有高斯分布形狀。即使使用分束器或移相器等光學(xué)元件操縱高斯光，輸出仍將保持高斯分布。因此，相當(dāng)于加法和減法的線性運(yùn)算是可以實(shí)現(xiàn)的，但是乘法等非線性運(yùn)算對(duì)于當(dāng)前的光學(xué)量子計(jì)算機(jī)而言很困難。
在這項(xiàng)研究中，武田等人操縱壓縮光產(chǎn)生具有強(qiáng)量子特性的光脈沖（薛定諤貓態(tài)），再利用另一束壓縮光作為輔助進(jìn)行光量子計(jì)算。此運(yùn)算是一種線性運(yùn)算，稱為擠壓運(yùn)算。雖然不涉及非線性計(jì)算，但武田表示，“這是世界上第一次將具有強(qiáng)量子特性的光脈沖納入光量子計(jì)算平臺(tái)”，意義重大。
武田的下一個(gè)目標(biāo)是展示非線性計(jì)算。通過擴(kuò)展武田機(jī)器的特征——環(huán)路部分以及相當(dāng)于處理器的電路，他們?cè)O(shè)想了一個(gè)可以使用大量光脈沖進(jìn)行計(jì)算的新平臺(tái)。此外，武田相信容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)（FTQC）的實(shí)現(xiàn)將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，這是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的最大主題。
除了開發(fā)光量子計(jì)算機(jī)，武田還在研究“通用量子光源”，它可以從單一光源產(chǎn)生各種類型的光。
壓縮光、單光子以及用于光學(xué)量子計(jì)算機(jī)量子糾錯(cuò)的特殊類型的光（稱為GKP量子比特）目前都是由專用光源產(chǎn)生的。武田說：“如果我們能夠以可編程的方式生成它，不僅可以提高量子計(jì)算機(jī)的性能，而且有助于提高整個(gè)光學(xué)量子技術(shù)的水平?！保ň幾g/劉林）
