光量子計算機研發(fā)獲進展

來源：參考消息網(wǎng)

       參考消息網(wǎng)5月21日報道　《日本經(jīng)濟新聞》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《以光制造量子計算機》，內(nèi)容如下：

　　隨著各種實現(xiàn)量子計算機商業(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特性處理信息的光量子計算機上。東京大學副教授武田俊太郎正在利用他本人8年前發(fā)明的“環(huán)路型光量子計算機”，嘗試非線性計算處理，這是目前光量子方法難以攻克的領域。

　　2025年1月14日，武田在東京大學舉行新聞發(fā)布會，公布其在光量子計算機方面的最新研究成果。與NTT（日本電信電話公司）和NICT（日本情報通信研究機構）的聯(lián)合研究項目公布的結果是“全球首次將具有強量子特性的光脈沖引入光量子計算平臺”，這一成果意義重大，據(jù)說是“超越超級計算機的光量子計算機的突破”。

　　量子計算機“超越超級計算機”似乎理所當然。2019年，谷歌宣布利用超導量子計算機200秒內(nèi)完成了超級計算機需要一萬多年才能完成的計算，實現(xiàn)了全球首個“量子霸權（quantum supremacy）”。

　　谷歌的“量子霸權”是針對特定問題實現(xiàn)的，如果不擴大計算規(guī)模、開發(fā)能夠處理大范圍計算的算法、在量子糾錯技術上取得進展，當前的量子計算機就無法與超級計算機競爭。尤其是武田研究的光量子計算機的計算能力存在根本性的弱點。武田說：“我們可以進行相當于加法和減法的線性計算，但目前還不能進行相當于乘法的非線性計算?！?/span>

　　量子計算機的實用化競爭正在激烈展開，不僅包括光量子，還包括超導、離子阱、冷原子和半導體。在其他方法中，物理系統(tǒng)本質(zhì)是非線性的，因此實現(xiàn)非線性操作相對容易。另一方面，由于光量子計算機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算機制。

　　為了解決這個問題，武田嘗試利用被稱為“薛定諤的貓”的特殊光脈沖狀態(tài)進行量子計算。薛定諤的貓是光的正負振幅狀態(tài)疊加的特殊量子態(tài)，武田稱之為“具有強量子特性的光脈沖”。

　　光量子計算機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)展勢頭強勁，這種光量子計算機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元件操縱高斯光，輸出仍將保持高斯分布。因此，相當于加法和減法的線性運算是可以實現(xiàn)的，但是乘法等非線性運算對于當前的光學量子計算機而言很困難。

　　在這項研究中，武田等人操縱壓縮光產(chǎn)生具有強量子特性的光脈沖（薛定諤貓態(tài)），再利用另一束壓縮光作為輔助進行光量子計算。此運算是一種線性運算，稱為擠壓運算。雖然不涉及非線性計算，但武田表示，“這是世界上第一次將具有強量子特性的光脈沖納入光量子計算平臺”，意義重大。

　　武田的下一個目標是展示非線性計算。通過擴展武田機器的特征——環(huán)路部分以及相當于處理器的電路，他們設想了一個可以使用大量光脈沖進行計算的新平臺。此外，武田相信容錯通用量子計算機（FTQC）的實現(xiàn)將會成為現(xiàn)實，這是量子計算機發(fā)展中的最大主題。

　　除了開發(fā)光量子計算機，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量子計算機量子糾錯的特殊類型的光（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算機的性能，而且有助于提高整個光學量子技術的水平。”（編譯/劉林）