万事俱备！玻尔研究所逼近“量子优势”

光子盒研究院出品

从概念上来说，“量子优势”（quantum advantage）意味着量子计算机可以比传统计算机更快地执行任何给定的计算。这个词源于加州理工学院John Preskill在2012年创造的“量子霸权”（quantum supremacy），但去年才由谷歌实现。两个术语可以互换使用，尽管许多专家会说量子优势更显著、更强大。

目前实现“量子优势”或“量子霸权”的包括谷歌和中国科大团队，而丹麦的研究人员也宣布他们在技术上达到了实现“量子优势”的条件。

这项研究是在哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔研究所与波鸿大学的合作下进行的，并发表在Science Advances上。该研究已经开发出一种纳米芯片（厚度不到人类头发的十分之一），若加以合适的投资，最终可用于构建未来的量子模拟器。这个芯片使他们能够产生足够的用量子信息加密的光子，从而扩展该技术。

玻尔研究所混合量子网络中心（Hy-Q）主任Peter Lodahl教授说：“我们现在拥有的工具使构建超越传统计算机的量子模拟器成为可能。这是一项重大突破，是进入量子物理学世界未知领域的第一步。”

玻尔研究所团队

纳米芯片为“量子优势”提供了可能性

尽管目前的研究还没有进行量子优势能否实现的实验，但该团队发表的论文证明了该芯片可以实现这一优势。

具体来说，他们在“片上”平面纳米光子波导电路中利用量子点实现具有近似不可分辨的确定性单光子源。这个装置产生大于100个单光子的长串，光子之间的相互不可分辨性没有任何明显的下降。最终实现了每秒1.22亿光子的总产生率，相当于片上源效率为84%。这些单光子源的规格是以玻色取样为基准的，并发现能够扩展到量子优势的范围。

纳米芯片能够生产包含信息的光子，且可以用作未来量子计算机中的硬件，与今天的经典计算机中使用电晶体管的方式非常相似。

下图显示了包含嵌入在180纳米薄膜中的外延生长量子点的器件。用短光脉冲激发量子点，从而可以确定地制备量子点中的激发。发射的单光子引导到设计用于控制光学状态的局部密度的光子晶体波导中，使嵌入的量子点以近似的耦合效率（通过β因子量化）发射到波导中。

收集的光子随后在芯片上进行路由，并被引导到一个定制的光栅上，以实现高效的光纤外耦合。激发激光和收集光栅之间的空间分离，确保了在不使用任何可能导致损耗的偏振滤波的情况下，可以获得非常高的脉冲共振激光抑制。

这项研究由丹麦国家研究基金会、欧洲研究理事会，以及丹麦科学、技术与创新局资助，并且与德国波鸿大学合作。

花费1000万欧元的实验

但是要实现“量子优势”，需要一次可以控制大约50个量子比特。这种综合的实验远远超出了大学自身的资金能力。

“像谷歌那样用超导量子比特来进行一个同时控制50个光子的实验，可能需要花费我们1000万欧元。我们根本负担不起。但是，作为科学研究人员，我们可以做的是开发光子源，并证明其可用于实现‘量子优势’。我们已经开发出了基本的构建块。”研究结果的主要作者、副教授Ravitej Uppu解释说。

尽管他们的工作是开创性的，现实情况却是需要大量的金钱投入才能将他们的研究转化为更有价值的东西。这就是Google和其他跨国公司（如Honeywell和IBM）的优势所在。

玻尔研究所的应对措施

“与此同时，我们将利用我们的光子源来开发新的、先进的量子模拟器，解决复杂的生物化学问题，例如用以新药研发等。因此，我们已经在为该技术的下一步发展做准备了。在大学里，我们可以建立一项技术的基础并证明其可能性，然而决定性的技术升级则需要更多的投资。我们还将努力建立一个强大的欧洲学术和工业合作伙伴联盟，重点构建具有‘量子优势’的光量子模拟器。” Peter Lodahl说道。

Lodahl继续说：“丹麦和欧洲在量子光学研究方面拥有悠久的传统，同时拥有强大的电信行业和基础设施。如果能将这些优势结合到致力于光子量子计算机的大规模项目中，那将是一件非常令人兴奋的事情。很高兴可以参与到从理论到技术应用的这一过程。”

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/50/eabc8268

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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。