有一說一·量子系列科普之五

非常容幸，能跟大家交流光量子計算和我們最近的實驗進展，我叫王輝，是中科大的博士生。量子信息處理方面，有兩個比較大的方向，一個是量子通信，這個大家從剛才的報告裡面已經知道，很接近應用了。第二個方向就是量子計算和量子模擬，它還處於起步階段，現在大多數實驗只是在原理（層面進行研究）。現在大多數實驗，就是你看新聞某某某造出來多麼牛的計算機，其實沒什麼用，只是演示性的。雖然說我們的一小步，但是他對於量子計算的發展來說，有比較大的意義的。

什麼是量子計算機

我首先要跟大家介紹一下什麼是量子計算機。我這裡寫了一句話，利用量子力學原理進行數據和信息處理的機器，量子力學的原理包括什麼呢，量子干涉這是一個，還有量子疊加，像剛才聽的，利用量子力學的原理，來進行數據處理和信息處理的機器都叫做量子計算機。

有一些計算機叫做通用計算機，它可以處理很多問題。但是有一類量子計算機，也就是說對某一個問題處理的時候，相比經典計算機具有加速性。所以我們今天要講的計算機，它就屬於非通用的量子計算機。

其實這個量子計算機用的就是量子比特，就像下面這個圖，你看這個是一個封閉的系統，為什麼把它封閉，因為量子計算機是一個非常脆弱的系統，你必須要把外界隔絕地比較好的時候才能正常工作。

量子計算機能幹什麼，我剛才說了，只能解決一些特定的問題。大家可能對這個量子計算機有一個誤解，它好像什麼事都能幹。以為經典計算機能幹的事情，他都能幹。

當時我們把這個新聞放出來的時候，我的同學就問我，你們這個量子計算機搞出來的時候，打遊戲是不是一點都不卡。我說不是，如果能到打遊戲的程度，那我們就可以下崗了，就可以交給工程人員來解決了。它難度非常大，我們現在只能給大家演示它的原理的一些方面（或者小規模的演算法演示），它只能處理一些特定的問題。很重要的一點就是它很快，它具有並行計算能力，因為量子比特是疊加態。經典比特操作的時候要麼是0，要是1，而量子比特同時對0跟1進行操作的，然後它就具有指數的加速效應。

我放這張圖就是想說大家打遊戲還是用大家自己的筆記本就可以了，量子計算機遠遠沒有到那個程度。順便我給大家推薦一下，這個是我們墨子沙龍跟sheldon工作室做的一個漫畫，對我們的科研成果做了非常簡單和非常清楚的介紹，而且比較嚴謹的一個漫畫。

延伸閱讀

漫畫 5分鐘看懂中國最新的量子計算機

建造一台量子計算機，肯定需要滿足一定條件，這個條件用學術上的話就是（DiVincenzo』s criteria）。DiVincenzo這是一個名字，這是外國人的名字，他提出了五個要求，同時滿足這五個特點，才算是一台量子計算機。

這五條件指的是通用的量子計算機，所以大家來看一下第一條就是可拓展的量子比特。它是一個如果你用光子來做的話，那就是光子的偏振態，0跟1，它的就一個量子比特，還有原子，原子的話比如方向或者自旋，都可以來當做一個量子比特。

但是一定要注意定語，它叫可拓展的量子比特。可拓展的意思就是說，（如果）你要具備一個20個比特的光量子比特，你首先要產生20個光子（效率很重要），而且你要測量。真正能實現可拓展的量子力學系統其實不多的，它的這個效率要求非常高。

第二個就是，因為你要做操作，你首先要能製備出這個態（相當於做運算的初始條件）。

第三個就是要有長的相干時間，因為量子計算機加速性就是來自量子比特的相干疊加。因為量子比特是一個0跟1的相干疊加的，如果相干時間非常短（操作超出了相干時間），量子比特就會塌縮（變成經典比特），所以你就得不到量子的加速性。

但是滿足這個條件的系統也非常少，經典計算機中，低電平是0，高電平是1，它沒有相干時間這個概念。

第四個就是通用的量子邏輯門，這個可能有點太學術了，但是要建造量子計算機就需要這些理論。就是剛才趙有為展示了一打圈的框框有很多線的東西，就對應了這個量子邏輯門。最後一個還是要對量子比特進行測量，如果滿足這五個條件的話，就是通用的計算機。如果滿足部分的條件，但是仍然具有加速性的（就是非通用量子計算機）。

量子計算機現在大家研究比較多的系統，第一個就是光學系統，利用它的偏振、它的路徑、角動量等自由度來做的。

現在國際上比較看好的是超導系統，大概有80%的人吧。第一個他已經實現了對單個比特（和兩比特）的操作，它的操作精度非常高，這個是一個基本的要求。如果把這些操作精度能做得非常高的話，就可以像現在這個晶元一樣，列印出來，整個系統相對來說比較容易擴展，他本身就是一些線路。所以現在80%的人認為他是一個最好的系統。冷原子和離子阱的話，超導和原子都需要在非常低的環境下來操作的。像我們的單光子從這裡打出去，外界都不會對他干擾（但其他系統不是這樣的）。

還有一個自旋系統，你可以把它想成單個電子的系統，單個電子有自旋（注釋：現在用的系統中都是單電子系統，自旋的上和下就是一個qubit），你只要找一個系統，他裡面出單個粒子，現在用得最多的系統是（硅）量子點（如澳大利亞Simmons組），它也是我們用來產生單光子的器件，它可以囚禁單個電子，對單個電子直接進行操作。

還有就是NV center（金剛石色心），大家可能聽得比較多的，這裡面有很多的缺陷（即缺少一個碳原子），碳原子被氮原子代替，缺陷仍然在，就會多出來一個電子，這個時候就可以對單電子進行微波操縱。這四個（系統）是比較有希望實現量子稱霸的物理系統，但是最終哪個會勝出，現在還不知道。

光量子計算

因為我們的實驗領域是基於固態量子點單光子的量子計算，所以下面著重介紹一下光量子計算。

在2001年的時候，有三位科學家從理論上證明了，利用單光子源、線型光學網路、（自適應）投影測量，就可以實現普適的量子計算。

第一部分是單光子源，我下面會著重介紹；第二部分就是線性光學網路，可以這樣理解，假設你有一團彈珠，首先這五個彈珠是這樣排列的，經過一個變換相當於什麼呢，把這五個彈珠其中兩個放到一起了，首先要保證這五個彈珠都在。它的數量根本沒有變，但彈珠的排列變了，這個可以簡單地這樣理解。有了這個幺正變換，再加上投影測量，大家注意它應該叫做前饋投影測量，也就是說前面測量到的結果會影響後面測量基矢的選取，所以大家要注意（這句話視頻剪切掉）。

有了這三個方面的話，它就可以實現普適量子計算。但是真正的系統裡面，這三個方面都是很難實現的，而且最重要的就是這個單光子源，單光子源如果效果不高，它很難擴展到大規模，這個(單光子的效率)對光量子計算的研究是非常重要的。

單光子源，顧名思義，它是產生單個光子的源頭，這個源頭肯定是一個器件，單個光子比如說剛才PPT裡面看到了，太陽光照到地面上，肯定是大多數光子同時照到地面，單個光子是什麼概念，就是你把這一千瓦分成一千份，是1瓦，你把這個光子你再分分分，它不能再分了，這個時候它就是一個光子。一束太陽光照下來，已經有這麼多光子了，從一團渾濁的水中去提取一滴清水，其實是非常難的。下面我會介紹一下我們這個量子點，因為我們產生單光子，我們光學計算裡面一個重要的系統，這個後面我會再說。

通用計算大家都實現不了，咱們就想辦法，因為我剛才說了，量子比特非常容易發生錯誤，發生錯誤的話肯定要有糾錯機制，這個就是現在的量子糾錯，這個技術還是很難的。

近幾年是很難有突破的，所以科學家們想了一個辦法，因為量子計算，理論上大家都說，它肯定比經典計算要快，但你怎麼去做這樣一台儀器來證明這個事情，所以就有量子稱霸這樣一個方向。

我構建一個量子計算的模型，構造出來後去執行已經設計好的演算法，運行結果如果比現在的所有經典計算機都快，我就達到了量子稱霸。在光學系統裡面，玻色採樣，是實現量子稱霸的最有希望的方法之一。我們先不說玻色採樣是什麼，咱們現在說玻色採樣計算的能力，這個裡面的橫軸是單光子的個數，縱軸是浮點運算次數，如果說我們有四個光子，我們可以跟世界上第一台電子計算機ENIAC差不多了，如果我們操作20個的話，我們跟這個奔騰處理器差不多了，如果我們再把光子數增多，增多到大約45個的時候，我們就跟這個超級計算機差不多。如果我們把這光量子計算機操作的光子數提高到45個（以上）的時候，（量子稱霸的）目的就達到了。

波色採樣

現在我說一下什麼是玻色採樣，這個東西很抽象，大家比較難懂，我先說一下它對應的經典（世界）裡面比較像的模型，這個是一個板子，綠色的相當於釘的釘子，然後你從上面往下扔球，這個球下來要麼往左走、要麼往右走，這個就相當於我們玻色採樣裡面的部分分束器，我圖裡面畫的是波導，這個分數器跟這個一樣，那麼這個分數器就相當於這個釘子，這個球往下走的時候，要麼往左要麼往右走。

光子也是，光子進來看到分束器要麼往這邊走、要麼往這邊走，所以它是對應的。我扔很多球，它到下面，它會出來。假設這裡面出了50次、這裡面出了20次、這裡面出了10次，這個是整個我扔一百次的分布。玻色採樣本身是一個採樣遊戲，首先你要知道分布是什麼，分布就是你的採樣的樣本空間了。大家有興趣可以做做這個經典實驗。

你把單光子扔到這個干涉儀中，這是由N個分束器組成的光路，干涉之後它從這個出口也有一個分布，但是去看分布的話，很複雜的一個分布，根本不是高斯分布。而且你去計算這個概率分布的話，是一個非常難的問題。我們現在用的這個加密系統，就是質數分解，你可以去檢測，但是你不可能有效地計算。計算這個概率，是比質數分解還難的一個問題，如果在學術裡面把它叫做#P-complete 難度的一個問題，它是一個比質數分解還要難的問題。如果這個規模足夠大的話，計算一個的話你都需要兩個多小時，這個是有人已經在天河2號做過的一個模擬，這就是玻色採樣很難的地方。

我們只是把單光子打到我剛才說的幺正變換網路裡面讓他（干涉），看起來是一個很簡單的過程，但是對於實驗來說是一個很大的挑戰，因為我們的單光子源，我們這個探測器，我們整個的實驗系統的效率都是受限的。

大家可以看一下我們整個實驗是怎麼實現它，玻色採樣包括這三個部分，第一塊就是單光子源，第三部分就是對光子進行探測，我們講了很多次了。單光子源的話，我接下來會著重說一下這部分，我們會用一塊半導體晶元，我們會有大概十的九次方這麼多的量子點，我們選其中的一個進行激發會產生單光子，這個單光子因為它實際上是一連串的，我們要把光子打到不同的空間模式上去，我們要有一大堆粉色的這個東西要把它分開，分到不同的空間模式上，這個是它的作用。

我們單光子進去後，會有干涉，它必須要全同才能干涉。干涉之後我們再用這個探測器去探測，我們這個時間數字轉換器都是記錄每個到達的時間，我們就可以知道光子在哪幾個出口出來多少次，我們就可以知道這個概率了，其實它是挺簡單的。

單光子源

單光子源這一部分，它是InAs/GaAs兩種不同的半導體材料組成的，因為他們的晶格常數不一樣（由於應力釋放形成了像山一樣的東西）。山是怎麼形成的，就是兩個地殼運動的時候把它擠壓擠壓長出來的山，這個量子就是完全類似的過程，只不過它是納米尺度的，我們這個量子點它的高度也就幾個納米，然後它的寬度也就是十幾個納米左右。這個山相當於一個勢阱，會囚禁單個電子，我們經過光激發之後，我們可以確定性地激發（即將電子確定性的製備到激發態）。

這時候我們就產生單個光子了。但大家想一想因為它是一個點，光子是四面八方都發射的，這個時候我們很難，我們不可能拿一個器件把4π角所有的單光子收集到。因為它損耗光，我們怎麼辦呢，這時候我們把量子點放到微腔中去。這個圖裡面的圓點，可以把它想像成量子點。如果我們控制好條件的話，我們這個量子點會跟這個腔耦合，耦合的時候就只走這個方向，然後從側面泄露的是非常少的，這樣的話我們才可以產生非常高效率的量子點。

我們產生的單光子大多數要看這三個指標，第一個是純度，第二個是不可分辨性，第三個是效率，以三個參數做得越好，那單光子就是越牛。你產生的光子裡面每一次只發生一個，我們這個光源中，一百個光子裡面大概有98個是只發出一個，其他的有可能兩個裡面有多個光子，這個因為我們激發的時候，激發光和單光子是同頻率的，我們沒法把激光壓製得非常好。不可分辨性，把兩個光子交換一下連上帝都不知道誰是誰，這是不可分辨的，100個光子中，大概94個一交換就連上帝都不知道發生了什麼，所以不可分辨性。

效率的話就是說你產生一百個，我們現在能收集到大概34個，即使這樣我們現在還是最好的，因為如果你要再把它突破50%的時候，是有一個很大障礙的。這個是我們的單光子部分，我們可以跟國際同行來比較一下，你看一下瑞士的，瑞士的ETS，還有法國，還有美國加州，就是世界上很多知名小組都在攻克這個難題，咱們可以看一下它的參數，豎軸是光子的不可分辨性，就是說你兩個光子交換一下，連上帝都看不出來差別的程度，這個肯定是越高越好。

光子的效率這個是軸，當然是越高越好。也就是說這個圖裡面，越靠近右上邊，它就越好。現在比我們原來（2016年）的效率高了三倍多，但是相對別人的話就是10倍以上了。不可分辨性的話而且我們2014年我們創造的這個記錄，到現在依然保持著最高的記錄。所以我們在單光子源方面，取得了這個成就也是保證了我們能實現玻色採樣成功的基礎。

干涉儀

這是一部分我說了玻色採樣中的單光子源部分。另一個很重要的部分是干涉儀，它對光子做一個幺正變換。這個東西也很難做，因為你這個光子進去的話，有些材料會吸收，而且有些其他的影響的話會損耗掉。

我們做了這樣一個東西，大家可能看不出來，這個裡面是有36個分束器，我們把它集成在一起，我們把它加工，鍍膜，拋光，光膠粘合等很多道工藝之後我們才做出了這樣一個器件。這個器件的線路圖大約是這樣的，其中每一個框框相當於一個MZ干涉儀。

我們看這個（器件的）效率，如果打進來100個光子，我在後面可以看到99個光子，只損耗一個光子，可以這樣理解。玻色採樣的重點是要干涉，兩個單光子要干涉，所以波包一定要重疊得非常好，這些白色的都是分束膜，只有平行度非常高的時候，才能保證波包重疊非常好，我們做到了大於99%。國際上的其他組用波導，用光纖做，他們的效率只有30%-60%，所以這也是我們一個很大的改進。

這個結果是我們的採樣率，也就是你一秒鐘能探測到的3個光子的計數，我們可以看一下下面，實際上是澳大利亞、維也納組、羅馬組，英國布里斯託大學組的結果，他們從2013年到2016年一直有實驗出來，它們的採樣率最高也只有0.1幾，而我們已經到四千接近五千的採樣率了，所以我們比國際同行高了兩萬四千倍。

如果你讓ENIAC去做這個事情的話，它的採樣率也就是這麼多，用第一台電子管計算機做的話（這句話視頻刪掉），我們在他們之上，這是一台超越早期經典計算機的光量子計算機，這些定語是不能省略的。

這個是我們整個實驗室的裝置照片，我們說的量子點，就在灰色的柜子裡面，它是可以產生4K的溫度。量子點樣品是不到指甲蓋這麼大的東西，大家看不到。產生的單光子，我們通過單模光纖傳過來，一直傳到這邊的整個光學平台上，我們對他進行操作，干涉和探測，我們就完成所有實驗了。這是部分照片，這是我們的部分照片。

我們總結一下，首先我們的量子點是效果最高的，我們這個干涉儀也是效果最高的，正由於此，我們成功的製造了世界上首台超越早期經典計算機的光量子計算機，或者是模擬機。還有我要跟大家說一下，有些人我看在網上爭論的一個事情，就是我們到底是量子模擬機還是量子計算機，其實都是一樣。但大家一定要知道它只是針對玻色採樣這個問題的量子計算機。

量子星大會·大咖話量子

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墨子沙龍

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