「水煮」黑科技：二維空間量子行走！

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量子科學對於非專業人士而言是相當深奧的，其中的概念也非常難懂，必須「水煮」一通，來一番通俗譬喻才可。鏈科技小編今天水煮一個概念——二維空間量子行走。據最新一期美國《科學·進展》雜誌報道，上海交通大學金賢敏團隊於近日實現了大規模三維集成光量子晶元，並演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。最新進展對於推進模擬量子計算的發展、實現「量子霸權」具有重大意義。

我們不妨用最常見的物品和現象做類比，如此可將高度抽象的理論具象化，有助於對理論的理解。什麼是量子行走呢？假設一個人拿著一枚硬幣，每走一步前，先拋擲一次硬幣，如果花紋朝上就向左走一步，如果字面朝上就向右走一步。這可以理解為經典隨機行走。在量子行走中，「人」和「硬幣」分別由量子化的粒子來代替。在量子計算中，量子遊走是經典隨機遊走（如布朗運動）的量子模擬，量子遊走的特性是由一個量子硬幣（比如量子自旋的上下）和變換算符決定的，由此可以實現表意和運算。近年來，關於通用量子計算機的新聞屢見於報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣布實現了更高的量子比特數紀錄。但是，即使實現幾十甚至更多量子比特數，如果沒有做到全互連、精度不夠且無法進行糾錯，通用量子計算仍然無法實現。相反，模擬量子計算可直接構建量子系統，不需要像通用量子計算依賴複雜的量子糾錯，因此，一旦能製備和控制的量子物理系統達到新尺度，將可實現超越經典計算機的計算能力，直接用於探索新物理和特定問題。

量子計算機的研發尚有許多瓶頸需要突破，在一些點位上，科學家們遇到了前所未有的難度。作為模擬量子計算的一個強大演算法內核，二維空間中的量子行走，能將特定計算任務對應到量子演化空間中的相互耦合係數矩陣中。研究團隊藉助飛秒激光直寫技術，製備了節點數多達49×49的三維光量子計算晶元。正是這種目前世界最大規模的光量子計算晶元，使真正空間二維自由演化的量子行走得以在實驗中首次實現，並將促進未來更多量子演算法的實現。

研發需要不斷創新，而創新的根本特徵是否定，但否定恰是一個特殊關口，達不到量變的積累是無法實現的。據悉，不同於過去20年里採用的通過增加光子數來增加絕對計算能力的方式，研究團隊另闢蹊徑，通過增加量子演化系統的物理維度和複雜度來提升量子態空間尺度，開發了更加可行的全新量子資源，對未來量子模擬計算的研發具有重要意義。

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