【有一说一·量子系列科普之五（完结篇）】
量子计算机最新进展
墨子沙龙·出品
其实这个量子计算机用的就是量子比特，就像下面这个图，你看这个是一个封闭的系统，为什么把它封闭，因为量子计算机是一个非常脆弱的系统，你必须要把外界隔绝地比较好的时候才能正常工作。
量子计算机能干什么，我刚才说了，只能解决一些特定的问题。大家可能对这个量子计算机有一个误解，它好像什么事都能干。以为经典计算机能干的事情，他都能干。
当时我们把这个新闻放出来的时候，我的同学就问我，你们这个量子计算机搞出来的时候，打游戏是不是一点都不卡。我说不是，如果能到打游戏的程度，那我们就可以下岗了，就可以交给工程人员来解决了。它难度非常大，我们现在只能给大家演示它的原理的一些方面（或者小规模的算法演示），它只能处理一些特定的问题。很重要的一点就是它很快，它具有并行计算能力，因为量子比特是叠加态。经典比特操作的时候要么是0，要是1，而量子比特同时对0跟1进行操作的，然后它就具有指数的加速效应。
我放这张图就是想说大家打游戏还是用大家自己的笔记本就可以了，量子计算机远远没有到那个程度。顺便我给大家推荐一下，这个是我们墨子沙龙跟sheldon工作室做的一个漫画，对我们的科研成果做了非常简单和非常清楚的介绍，而且比较严谨的一个漫画。
建造一台量子计算机，肯定需要满足一定条件，这个条件用学术上的话就是（DiVincenzo’s criteria）。DiVincenzo这是一个名字，这是外国人的名字，他提出了五个要求，同时满足这五个特点，才算是一台量子计算机。
这五条件指的是通用的量子计算机，所以大家来看一下第一条就是可拓展的量子比特。它是一个如果你用光子来做的话，那就是光子的偏振态，0跟1，它的就一个量子比特，还有原子，原子的话比如方向或者自旋，都可以来当做一个量子比特。
但是一定要注意定语，它叫可拓展的量子比特。可拓展的意思就是说，（如果）你要具备一个20个比特的光量子比特，你首先要产生20个光子（效率很重要），而且你要测量。真正能实现可拓展的量子力学系统其实不多的，它的这个效率要求非常高。
第二个就是，因为你要做操作，你首先要能制备出这个态（相当于做运算的初始条件）。
第三个就是要有长的相干时间，因为量子计算机加速性就是来自量子比特的相干叠加。因为量子比特是一个0跟1的相干叠加的，如果相干时间非常短（操作超出了相干时间），量子比特就会塌缩（变成经典比特），所以你就得不到量子的加速性。
但是满足这个条件的系统也非常少，经典计算机中，低电平是0，高电平是1，它没有相干时间这个概念。
第四个就是通用的量子逻辑门，这个可能有点太学术了，但是要建造量子计算机就需要这些理论。就是刚才赵有为展示了一打圈的框框有很多线的东西，就对应了这个量子逻辑门。最后一个还是要对量子比特进行测量，如果满足这五个条件的话，就是通用的计算机。如果满足部分的条件，但是仍然具有加速性的（就是非通用量子计算机）。
量子计算机现在大家研究比较多的系统，第一个就是光学系统，利用它的偏振、它的路径、角动量等自由度来做的。
现在国际上比较看好的是超导系统，大概有80%的人吧。第一个他已经实现了对单个比特（和两比特）的操作，它的操作精度非常高，这个是一个基本的要求。如果把这些操作精度能做得非常高的话，就可以像现在这个芯片一样，打印出来，整个系统相对来说比较容易扩展，他本身就是一些线路。所以现在80%的人认为他是一个最好的系统。冷原子和离子阱的话，超导和原子都需要在非常低的环境下来操作的。像我们的单光子从这里打出去，外界都不会对他干扰（但其他系统不是这样的）。
还有一个自旋系统，你可以把它想成单个电子的系统，单个电子有自旋（注释：现在用的系统中都是单电子系统，自旋的上和下就是一个qubit），你只要找一个系统，他里面出单个粒子，现在用得最多的系统是（硅）量子点（如澳大利亚Simmons组），它也是我们用来产生单光子的器件，它可以囚禁单个电子，对单个电子直接进行操作。
还有就是NV center（金刚石色心），大家可能听得比较多的，这里面有很多的缺陷（即缺少一个碳原子），碳原子被氮原子代替，缺陷仍然在，就会多出来一个电子，这个时候就可以对单电子进行微波操纵。这四个（系统）是比较有希望实现量子称霸的物理系统，但是最终哪个会胜出，现在还不知道。
光量子计算
因为我们的实验领域是基于固态量子点单光子的量子计算，所以下面着重介绍一下光量子计算。
在2001年的时候，有三位科学家从理论上证明了，利用单光子源、线型光学网络、（自适应）投影测量，就可以实现普适的量子计算。
第一部分是单光子源，我下面会着重介绍；第二部分就是线性光学网络，可以这样理解，假设你有一团弹珠，首先这五个弹珠是这样排列的，经过一个变换相当于什么呢，把这五个弹珠其中两个放到一起了，首先要保证这五个弹珠都在。它的数量根本没有变，但弹珠的排列变了，这个可以简单地这样理解。有了这个幺正变换，再加上投影测量，大家注意它应该叫做前馈投影测量，也就是说前面测量到的结果会影响后面测量基矢的选取，所以大家要注意（这句话视频剪切掉）。
有了这三个方面的话，它就可以实现普适量子计算。但是真正的系统里面，这三个方面都是很难实现的，而且最重要的就是这个单光子源，单光子源如果效果不高，它很难扩展到大规模，这个(单光子的效率)对光量子计算的研究是非常重要的。
单光子源，顾名思义，它是产生单个光子的源头，这个源头肯定是一个器件，单个光子比如说刚才PPT里面看到了，太阳光照到地面上，肯定是大多数光子同时照到地面，单个光子是什么概念，就是你把这一千瓦分成一千份，是1瓦，你把这个光子你再分分分，它不能再分了，这个时候它就是一个光子。一束太阳光照下来，已经有这么多光子了，从一团浑浊的水中去提取一滴清水，其实是非常难的。下面我会介绍一下我们这个量子点，因为我们产生单光子，我们光学计算里面一个重要的系统，这个后面我会再说。
通用计算大家都实现不了，咱们就想办法，因为我刚才说了，量子比特非常容易发生错误，发生错误的话肯定要有纠错机制，这个就是现在的量子纠错，这个技术还是很难的。
近几年是很难有突破的，所以科学家们想了一个办法，因为量子计算，理论上大家都说，它肯定比经典计算要快，但你怎么去做这样一台仪器来证明这个事情，所以就有量子称霸这样一个方向。
我构建一个量子计算的模型，构造出来后去执行已经设计好的算法，运行结果如果比现在的所有经典计算机都快，我就达到了量子称霸。在光学系统里面，玻色采样，是实现量子称霸的最有希望的方法之一。我们先不说玻色采样是什么，咱们现在说玻色采样计算的能力，这个里面的横轴是单光子的个数，纵轴是浮点运算次数，如果说我们有四个光子，我们可以跟世界上第一台电子计算机ENIAC差不多了，如果我们操作20个的话，我们跟这个奔腾处理器差不多了，如果我们再把光子数增多，增多到大约45个的时候，我们就跟这个超级计算机差不多。如果我们把这光量子计算机操作的光子数提高到45个（以上）的时候，（量子称霸的）目的就达到了。
波色采样
现在我说一下什么是玻色采样，这个东西很抽象，大家比较难懂，我先说一下它对应的经典（世界）里面比较像的模型，这个是一个板子，绿色的相当于钉的钉子，然后你从上面往下扔球，这个球下来要么往左走、要么往右走，这个就相当于我们玻色采样里面的部分分束器，我图里面画的是波导，这个分数器跟这个一样，那么这个分数器就相当于这个钉子，这个球往下走的时候，要么往左要么往右走。
光子也是，光子进来看到分束器要么往这边走、要么往这边走，所以它是对应的。我扔很多球，它到下面，它会出来。假设这里面出了50次、这里面出了20次、这里面出了10次，这个是整个我扔一百次的分布。玻色采样本身是一个采样游戏，首先你要知道分布是什么，分布就是你的采样的样本空间了。大家有兴趣可以做做这个经典实验。
你把单光子扔到这个干涉仪中，这是由N个分束器组成的光路，干涉之后它从这个出口也有一个分布，但是去看分布的话，很复杂的一个分布，根本不是高斯分布。而且你去计算这个概率分布的话，是一个非常难的问题。我们现在用的这个加密系统，就是质数分解，你可以去检测，但是你不可能有效地计算。计算这个概率，是比质数分解还难的一个问题，如果在学术里面把它叫做#P-complete 难度的一个问题，它是一个比质数分解还要难的问题。如果这个规模足够大的话，计算一个的话你都需要两个多小时，这个是有人已经在天河2号做过的一个模拟，这就是玻色采样很难的地方。
我们只是把单光子打到我刚才说的幺正变换网络里面让他（干涉），看起来是一个很简单的过程，但是对于实验来说是一个很大的挑战，因为我们的单光子源，我们这个探测器，我们整个的实验系统的效率都是受限的。
大家可以看一下我们整个实验是怎么实现它，玻色采样包括这三个部分，第一块就是单光子源，第三部分就是对光子进行探测，我们讲了很多次了。单光子源的话，我接下来会着重说一下这部分，我们会用一块半导体芯片，我们会有大概十的九次方这么多的量子点，我们选其中的一个进行激发会产生单光子，这个单光子因为它实际上是一连串的，我们要把光子打到不同的空间模式上去，我们要有一大堆粉色的这个东西要把它分开，分到不同的空间模式上，这个是它的作用。
我们单光子进去后，会有干涉，它必须要全同才能干涉。干涉之后我们再用这个探测器去探测，我们这个时间数字转换器都是记录每个到达的时间，我们就可以知道光子在哪几个出口出来多少次，我们就可以知道这个概率了，其实它是挺简单的。
单光子源
单光子源这一部分，它是InAs/GaAs两种不同的半导体材料组成的，因为他们的晶格常数不一样（由于应力释放形成了像山一样的东西）。山是怎么形成的，就是两个地壳运动的时候把它挤压挤压长出来的山，这个量子就是完全类似的过程，只不过它是纳米尺度的，我们这个量子点它的高度也就几个纳米，然后它的宽度也就是十几个纳米左右。这个山相当于一个势阱，会囚禁单个电子，我们经过光激发之后，我们可以确定性地激发（即将电子确定性的制备到激发态）。
这时候我们就产生单个光子了。但大家想一想因为它是一个点，光子是四面八方都发射的，这个时候我们很难，我们不可能拿一个器件把4π角所有的单光子收集到。因为它损耗光，我们怎么办呢，这时候我们把量子点放到微腔中去。这个图里面的圆点，可以把它想象成量子点。如果我们控制好条件的话，我们这个量子点会跟这个腔耦合，耦合的时候就只走这个方向，然后从侧面泄露的是非常少的，这样的话我们才可以产生非常高效率的量子点。
我们产生的单光子大多数要看这三个指标，第一个是纯度，第二个是不可分辨性，第三个是效率，以三个参数做得越好，那单光子就是越牛。你产生的光子里面每一次只发生一个，我们这个光源中，一百个光子里面大概有98个是只发出一个，其他的有可能两个里面有多个光子，这个因为我们激发的时候，激发光和单光子是同频率的，我们没法把激光压制得非常好。不可分辨性，把两个光子交换一下连上帝都不知道谁是谁，这是不可分辨的，100个光子中，大概94个一交换就连上帝都不知道发生了什么，所以不可分辨性。
效率的话就是说你产生一百个，我们现在能收集到大概34个，即使这样我们现在还是最好的，因为如果你要再把它突破50%的时候，是有一个很大障碍的。这个是我们的单光子部分，我们可以跟国际同行来比较一下，你看一下瑞士的，瑞士的ETS，还有法国，还有美国加州，就是世界上很多知名小组都在攻克这个难题，咱们可以看一下它的参数，竖轴是光子的不可分辨性，就是说你两个光子交换一下，连上帝都看不出来差别的程度，这个肯定是越高越好。
光子的效率这个是轴，当然是越高越好。也就是说这个图里面，越靠近右上边，它就越好。现在比我们原来（）的效率高了三倍多，但是相对别人的话就是10倍以上了。不可分辨性的话而且我们我们创造的这个记录，到现在依然保持着最高的记录。所以我们在单光子源方面，取得了这个成就也是保证了我们能实现玻色采样成功的基础。
干涉仪
这是一部分我说了玻色采样中的单光子源部分。另一个很重要的部分是干涉仪，它对光子做一个幺正变换。这个东西也很难做，因为你这个光子进去的话，有些材料会吸收，而且有些其他的影响的话会损耗掉。
我们做了这样一个东西，大家可能看不出来，这个里面是有36个分束器，我们把它集成在一起，我们把它加工，镀膜，抛光，光胶粘合等很多道工艺之后我们才做出了这样一个器件。这个器件的线路图大约是这样的，其中每一个框框相当于一个MZ干涉仪。
我们看这个（器件的）效率，如果打进来100个光子，我在后面可以看到99个光子，只损耗一个光子，可以这样理解。玻色采样的重点是要干涉，两个单光子要干涉，所以波包一定要重叠得非常好，这些白色的都是分束膜，只有平行度非常高的时候，才能保证波包重叠非常好，我们做到了大于99%。国际上的其他组用波导，用光纤做，他们的效率只有30%-60%，所以这也是我们一个很大的改进。
这个结果是我们的采样率，也就是你一秒钟能探测到的3个光子的计数，我们可以看一下下面，实际上是澳大利亚、维也纳组、罗马组，英国布里斯托大学组的结果，他们从到一直有实验出来，它们的采样率最高也只有0.1几，而我们已经到四千接近五千的采样率了，所以我们比国际同行高了两万四千倍。
如果你让ENIAC去做这个事情的话，它的采样率也就是这么多，用第一台电子管计算机做的话（这句话视频删掉），我们在他们之上，这是一台超越早期经典计算机的光量子计算机，这些定语是不能省略的。
这个是我们整个实验室的装置照片，我们说的量子点，就在灰色的柜子里面，它是可以产生4K的温度。量子点样品是不到指甲盖这么大的东西，大家看不到。产生的单光子，我们通过单模光纤传过来，一直传到这边的整个光学平台上，我们对他进行操作，干涉和探测，我们就完成所有实验了。这是部分照片，这是我们的部分照片。
我们总结一下，首先我们的量子点是效果最高的，我们这个干涉仪也是效果最高的，正由于此，我们成功的制造了世界上首台超越早期经典计算机的光量子计算机，或者是模拟机。还有我要跟大家说一下，有些人我看在网上争论的一个事情，就是我们到底是量子模拟机还是量子计算机，其实都是一样。但大家一定要知道它只是针对玻色采样这个问题的量子计算机。
墨子沙龙
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