科学大讲堂 | 中国科学技术大学陆朝阳教授阐述量子计算加速的实验演示

2021年4月8日下午，中国科学技术大学陆朝阳教授来访我校，做客理学院第055期科学大讲堂，在琳恩图书馆111报告厅为我校师生带来以“量子计算加速的实验演示”为主题的精彩讲座。本次讲座由理学院量子科学与工程研究院副院长范靖云教授主持。

嘉宾简介：

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陆朝阳

陆朝阳，剑桥大学物理学博士，中国科学技术大学教授，中组部首批国家“创新人才计划青年项目”入选者。陆朝阳2011年入选剑桥大学丘吉尔学院Fellow，2012年获得首批国家自然科学优秀青年基金，2014年获得香港求是杰出青年学者奖，2015年获得国家杰出青年科学基金、国家自然科学一等奖，2016年被《自然》评为“中国科学之星”，并入选美国光学学会会士，2017年获得中国青年五四奖章、欧洲物理学会菲涅尔奖，2018年获得中科院青年科学家奖，2019年获得中国物理学会黄昆半导体物理奖、科学探索奖、仁科芳雄亚洲奖、国际应用和纯物理协会（IUPAP-ICO）光学青年科学家奖等。

2020年，陆朝阳被授予美国光学学会颁发的阿道夫隆奖章（Adolph Lomb Medal），这是该奖章设立80年来中国科学家获奖。2020年10月6日，美国物理学会授予中国科学技术大学陆朝阳教授2021年度“兰道尔—本内特量子计算奖”，表彰他在光学量子信息科学，特别是在固态量子光源、量子隐形传态和光量子计算方面的重要贡献。

陆朝阳长期致力于面向实用化的量子信息技术研究，在包括《自然》和《科学》9篇、《自然》子刊11篇、《美国科学院院刊》4篇、《物理评论快报》38篇等国际顶级学术期刊发表论文98篇，被引用12000余次。研究成果三次入选美国光学学会评选的国际光学重要进展，五次入选两院院士评选的年度中国科技十大进展新闻。

讲座回顾：

量子计算是目前人类已知的唯一可以提供超越经典计算机能力的方案，科学家已经在超导、光子、离子阱、冷原子等多种体系中探索建造量子计算机。其中光子具有稳定、高精度操控、高速传输、可远距离交互的特点；为了获得超越经典计算机的计算能力，光子体系需要发展高效率、高纯度、高全同性的单光子量子光源，同时不断改进实验方案。

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讲座现场

讲座中，陆朝阳教授详细介绍了使用光子体系的量子信息技术的研究进展。近年来，量子计算领域理论和实验的发展，使得目前学界对量子计算的看法转为乐观。但是实现量子计算目前只走到了第一步——实现量子计算优越性，距离使用量子计算、通用量子计算机仍有较大的差距。传统计算机的硬件和算法也在不断发展，与量子计算竞争。2019年，谷歌Martinis团队的“悬铃木”超导量子计算原型机宣称实现了量子霸权（Quantum Supremacy），引起了广泛的关注和学术讨论；中科大团队研究发现其存在样本数量依赖的漏洞，且传统计算可以通过算法、算力的优化超越悬铃木。

2020年，陆朝阳团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，其速度等效计算比 “悬铃木”快一百亿倍。在实现量子信息处理的诸多体系中，光子具有稳定、高精度操控、高速传输、可远距离交互等特点。玻色采样是P#-hardness问题，比shor（舒尔）算法更难使用传统计算机解决。光量子计算要求单光子源同时满足高效率、高纯度、高全同性，近几年，陆朝阳团队分别发展了Beam-like模式参量下转换光源、椭圆微腔辅助的完美单光子量子点光源，并用于玻色采样的实验研究。参量下转换光源在高功率时会产生多对光子，影响效率，实际使用时常常不得不限制其功率。在此基础上，陆朝阳团队通过对物理进一步的理解拓展了实验方案：“九章”采用的高斯玻色采样方案可以利用参量下转换产生的多光子效应，在路径叠加的基础上增加了光子数的叠加进行计算任务。九章的采样任务使用太湖之光超级计算机验证了40光子输入时的计算结果，并且实验方案可以排除假冒样本攻击，将热态、可区分态的可能性排除，回应了Martinis（约翰·马提尼斯）和kalai（吉尔·卡莱）等提出的挑战。

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陆朝阳教授在讲解

本次报告介绍的研究工作标志着光子体系实现了量子计算优越性这一里程碑，为进一步发展和使用量子计算机奠定了基础。

互动环节：

最后提问环节，现场师生针对光子的量子计算原型机的可编程性、目前能达到的操纵程度等问题进行提问，陆朝阳教授一一详细解答并给出建议。

Q1: “九章”是如何编程的？

A1:谷歌和我们工作中的“编程”与我们熟悉的C++、java完全不一样，我们更愿意用“可操纵”来描述：可以操纵基本的物理单元，实现一定的计算任务，这和传统计算机发展的早期，我们控制电子管、真空管一样。目前做出的量子计算原型机的量子比特还太少，等发展到拥有大量硬件资源的时候才需要类似传统计算机的“编程”来组织、利用好资源。

Q2：“九章”整个系统是完全可编程的吗？还是部分编程？

A2：“九章”是部分可编程的，计算结果是由输入态和干涉仪决定的，之前的工作是可以控制输入态的相对相位，所以说部分可编程。以后可以实现完全可编程。

最后，范靖云教授为陆朝阳教授颁发科学大讲堂荣誉证书并合影留念。讲座圆满结束。

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合影留念

图文：李正达王珮

编辑：王珮