中国科大首次实现容忍光子损失的玻色采样实验

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中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳等与中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员尤立星小组合作，实验研究了一种量子计算模型“玻色采样”对光子损失的鲁棒性，证明容忍一定数目光子损失的玻色采样可以带来采样率的有效提升。该研究成果为通过玻色采样实现量子霸权开辟了一条高效的途径，于6月6日以“编辑推荐文章”（Editors’ Suggestion）的形式在线发表于《物理评论快报》。

美国物理学会Physics网站邀请澳大利亚量子计算和量子通信技术国家研究中心博士Austin Lund以《光子损耗不会使得量子采样脱轨》为题，在“观点”（Viewpoint）专栏对这一研究成果作了评述。

在量子计算领域，能演示量子机器在特定问题上优于经典计算机的实验被国际学术界称为“量子霸权”。2010年，麻省理工学院Aaronson等在理论上提出玻色采样，是一种快速计算矩阵的常值方法，主要原理是对经过线性器件处理的玻色子的概率分布进行抽样分析，从而可以很快的求出一个n x n维矩阵常值的方法。值得指出的是玻色采样计算机并不是一种严格意义上的通用量子计算机，虽然它用到了量子力学中全同粒子的概念但是并没有用到量子比特的概念，它是介于经典与量子之间的计算，但是这种计算已经足够证明量子计算的优越性了，经过严格证明此模型是实现量子霸权的有效途径之一。但是玻色采样的一个实验挑战是光子的损耗。潘建伟团队首次在实验上探索了可容忍光子损耗的玻色采样。该团队发展了国际上最高效率和品质的量子点单光子源，并自主研发了集成127个分束器的具有最高透过率的光量子线路。

结合上海微系统所尤立星团队研制的高性能超导纳米线单光子探测器（SNSPD），实验证明，在损耗一定光子数的情况下，玻色采样仍然保持其原来的计算复杂度（#P-complete）。与此同时，这种新型的玻色采样可以指数级地提升采样速率。该研究成果表明我国继续在光学量子计算方面保持国际领先水平，并向超越经典计算能力的量子霸权研究目标又迈进了一步。