相干伊辛机(CIM)实现10万自旋量子比特规模

12月3日，在北京量子院主办的量子物理与量子信息科学前沿论坛(QPQIS2021)上，相干量子计算奠基人、斯坦福大学教授山本喜久(Yoshihisa Yamamoto)分享了相干伊辛机(CIM)的最新学术进展。

最近在《科学进展》上发表的一篇论文显示，相干伊辛机(CIM)这种光量子计算方案取得了重大技术突破，实现了100,512自旋量子比特的CIM计算实验，突破10万大关，在所有量子计算技术方案中遥遥领先。该论文由日本电报电话公司(NTT)与日本国立信息学研究所(NII)合作发表。

进入2021年来，光量子计算路线在技术研发、融资规模、市场化应用上都取得了令人瞩目的进展，因此业界有人称2021年为“光量子元年”。

相干伊辛机(CIM)正是一种光量子计算方案，因为具有多种优势和潜力，是目前的热门方案之一。目前从事CIM研发的包括NTT、NII、NASA、斯坦福大学、加州理工大学、马里兰大学、东京大学等研究院所和高校，以及中国的玻色量子科技公司。

CIM 的概念图

简单来说，CIM就是通过一种称为“DOPO”的激光脉冲来高速求解组合优化问题的专用量子计算机。它使用DOPO网络来模拟统计物理中的“伊辛模型”，因为DOPO中的光子能量远大于环境中热噪声的光子能量，这使研究人员能够在室温下通过一套物理系统来实现光子的低温自旋行为。

CIM 实验系统的详细信息。PZT：带压电元件的光纤相位控制器，BPF：光学带通滤波器，PMF：偏振保持光纤，ADC：模数转换器，DAC：数模转换器。（图片来源：《100000—spin coherent Ising machine》论文2）

那么如何实现10万自旋量子比特规模的CIM呢？

在本文的CIM系统中，时分复用的DOPO脉冲作为压缩真空脉冲注入在非线性光波导中，并在5公里的光纤腔中循环，这些脉冲同时经历数字辅助相互作用和非线性振幅演化，利用DOPO脉冲之间的量子效应，以此寻找伊辛模型的基态能态，最终通过超过100,000个DOPO脉冲的集体相变映射，求解出最优的结果。

NTT基础研究实验室的高级杰出研究员武居弘樹博士（图片来源于NTT）

早在2016年，NTT基础研究实验室的研究团队就发布了一套CIM系统，该系统利用测量/反馈的技术在远程光纤腔中完全耦合生成了2000个DOPO脉冲，可实现多达400万个耦合。作为该研发团队技术带头人，NTT基础研究实验室的高级杰出研究员武居弘樹博士(Hiroki Takesue)表示，在此基础上就可进一步将CIM的规模拓展到10万自旋。而这一过程中，最大的挑战就在于光学部分和测量反馈部分。

关于光学部分，该团队将光纤腔的长度从1公里增加到5公里，泵脉冲的重复频率从1GHz增加到5GHz，从而在光纤腔中产生大于10万个DOPO脉冲。但是相应的，较大的光纤腔会导致较大的光损失，这意味着需要增加非线性波导的增益，用于相位敏感放大。通过改进制造工艺以及光纤耦合模块的设计，他们开发了效率更高的非线性波导——也就是PPLN波导模块。

100,512 自旋 CIM 的外观（图片来源于NTT1）

至于测量反馈部分，该团队开发了一套系统，能在25微秒内执行100k x 100k矩阵和100k元元载体的乘法计算，即可满足5公里光纤腔的脉冲往返时间的要求。

武居弘樹强调：“该系统所需FPGA芯片超过50个。如果未来还想把它扩展至能够满足100万自旋系统计算，我们可能需要开发用于矩阵计算的特殊电路(ASIC)系统。”

基于上述光学系统和测量/反馈系统的改进，武居团队最终完成了目前世界上最大规模的CIM，可以实现10万个脉冲和高达100亿个相互耦合的DOPO网络。对于包含10万个计算参量的大规模组合优化问题，经过实验测试，该解决方案比在经典计算机上实施的模拟退火算法(SA)快1000倍以上，且精度更高。

参考文献：

[1]https://group.ntt/jp/newsrelease/2021/09/30/210930a.html

[2]T.Honjo,T.Sonobe,K.Inaba,T.Inagaki,T.lkuta,Y.Yamada,T.Kazama,K.Enbutsu, T.Umeki,R.Kasahara,K.-i.Kawarabayashi,H.Takesue,100,000-spin coherent lsing machine. Sci.Adv.7,eabh0952(2021).

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