Eine Premiere: 3D-Chip-basierter analoger photonischer Quantencomputer demonstriert quantenschnelles Schlagen

Pressemitteilung des Xianmin Jin-Forschungsteams der Shanghai Jiao Tong University

Analoges Quantencomputing war ein ansprechendes Werkzeug mit potenziellen realen Anwendungen für verschiedene Optimierungs- und Simulationsaufgaben und viel weniger strengen Anforderungen an Fehlerkorrekturen als universelles Quantencomputing. Quantum Walks, ein Schlüsselprotokoll für analoges Quantencomputing, hat theoretisch viele Quantenvorteile gezeigt – zum Beispiel bei der Beschleunigung von Aufgaben mit schnellem Schlagen in geklebten Baumstrukturen. Um die Vorteile in die Realität umzusetzen, gibt es jedoch viele Voraussetzungen für das physikalische Quantensystem. Eine besteht darin, das System skalierbar zu machen, damit es echte Probleme bestimmter Komplexität bewältigen kann.

Die Demonstration des analogen Quantencomputers wurde normalerweise nur in sehr geringem Umfang für Proof-of-Principle-Studien durchgeführt, und die Anzahl der Photonen ist die Hauptressource für die Erweiterung des Quantensystems. Wie Nature Photonics berichtete, wurde bis vor kurzem ein skalierbares analoges Quantencomputergerät auf einem integrierten quantenphotonischen Chip realisiert, das eine neue Roadmap für die Verwendung der Dimension und des Maßstabs des Quantenentwicklungssystems als neue Ressource für analoges Quantencomputing eröffnete / p>

In Forschungen von Prof. Xian-Min Jin und seinem Team an der Shanghai Jiao Tong University in Zusammenarbeit mit Prof. Myungshik Kim vom Imperial College London und Dr. Carlo Di Franco von der Nanyang Technological University wurden hexagonale Graphen als alternative Struktur verwendet vorgeschlagen für schnell schlagende Aufgaben anstelle der traditionellen binär geklebten Bäume. Die hexagonalen Graphen ähneln dem Kleben zweier baumartiger Strukturen und sind hoch skalierbar, um in den dreidimensionalen integrierten quantenphotonischen Chips abgebildet zu werden, wobei die Längsrichtung die Evolutionszeit darstellt und die Querschnittsansicht die gebildete hexagonale Struktur zeigt durch Wellenleiteranordnungen. Das von Xian-Min Jin geleitete Team nutzte sein experimentelles Fachwissen, um über den größten integrierten photonischen Chip zu berichten und das erste Quanten-Walk-Experiment im realen zweidimensionalen Raum zu demonstrieren.

Für die Forschung zum quantenschnellen Schlagen injizierten sie Photonen aus dem Wellenleiter “Entry” und maßen die Lichtintensität am Wellenleiter “Exit” als “Schlageffizienz”. Die Forscher fanden heraus, dass Quantenläufe quadratisch schneller ablaufen als klassische Zufallsläufe, was die erste experimentelle Demonstration von Quantenvorteilen bei schnell schlagenden Aufgaben zeigt.



Die experimentelle Implementierung für das schnelle Schlagen auf geklebte Bäume stellt einen aufregenden Fortschritt dar, da sie eines der repräsentativsten Beispiele darstellt, die Quantentheoretiker angeführt haben, um die Beschleunigung durch Quantenwanderungen zu demonstrieren. In Anbetracht der Essenz des Protokolls als Optimierungsprozess und der Ähnlichkeit zwischen Binärbäumen und Entscheidungsbäumen in der Informatik kann das Protokoll des schnellen Schlagens auf geklebte Bäume außerdem viele nützliche Anwendungen auslösen, die die Quantenbeschleunigung für Aufgaben wie Logistik und Finanzen nutzen und Informationssuche. „Unsere Demonstration kann auch als erster Schritt zur Realisierung einer skalierbaren quantenschnellen Suche angesehen werden. Durch Hinzufügen weiterer Photonen können wir auch ein großes Netzwerk nichtklassischer Zustände aufbauen, die sowohl für Anwendungen als auch für grundlegende Studien verwendet werden können. “ sagte Prof. Myungshik Kim.

Das skalierbare Quantengerät, das durch den integrierten quantenphotonischen Chip ermöglicht wird, bietet auch eine hervorragende Plattform für die Quantensimulation anderer physikalischer Systeme und kann möglicherweise die Forschung zu vielen multidisziplinären Themen und aufkommenden wissenschaftlichen Fragen anregen, einschließlich Astronomiesimulation, quantenmaschinelles Lernen und Quanten topologische Photonik, Quantenbildgebung für biologische und medizinische Anwendungen usw.

Im Oktober dieses Jahres startete das Team um Prof. Xian-Min Jin die erste Software für photonisches analoges Quantencomputing, FeynmanPAQS, mit dem Ziel, eine breitere Beteiligung und ein Brainstorming für verschiedene Simulationsvorschläge und mögliche Anwendungen zu fördern, die reale Probleme verbinden. Es wäre in naher Zukunft erfreulich, wenn mehr Quantenvorteile in die Realität umgesetzt würden.