光量子计算：态空间维数提高百亿倍

2019年，研究组提出相干双色激发[Nature Physics 15, 941 (2019)]和椭圆微腔耦合[Nature Photonics 13, 770 (2019)]理论方案，在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题，并在窄带和宽带微腔上成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，相关成果被选为《自然光子学》封面文章。加拿大滑铁卢大学Reimer教授以“The quest for a perfect single-photon source”为题专门对这一成果发表评论文章，指出：“之前，国际上对完美单光子器件的探寻持续了二十年，然而这三项指标从未同时实现过（in the search for a perfect single-photon device, which has spanned over two decades, all three demanding criteria have not yet simultaneously been met）”，“这项开创性的研究是实现完美单光子源的里程碑式成就（groundbreaking research reporting a milestone achievement towards this ideality goal with the realization of a single-photon source）”。

中国科大研究组利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪，并通过与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星在超导纳米线高效率单光子探测器方面的合作，成功实现了20光子输入60×60模式（60个输入口，60层的线路深度，包括396个分束器和108个反射镜）干涉线路的玻色取样实验。与牛津大学、维也纳大学、法国国家科学院、布里斯托大学、昆士兰大学、罗马大学、麻省理工学院、马里兰大学等研究机构的国际同行的类似工作相比，实验成功操纵的单光子数增加了5倍，模式数增加了5倍，取样速率提高了6万倍，输出态空间维数提高了百亿倍。其中，由于多光子高模式特性，输出态空间达到了三百七十万亿维数，这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。因此，实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域：无法通过经典计算机直接全面验证该波色取样量子计算原型机，朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。

审稿人指出：这个工作“在解决关键问题上迈出了重要几步（makes essential steps towards solving a critical problem）”、是“令人印象深刻的技术成就（an impressive technological achievement）”、“一个巨大的飞跃（asignificant leap）”、“不仅是对光量子计算能力的一次有影响力的测试，更是通往实现量子计算优越性的弹簧跳板（is not only a powerful test of photonic strength but, rather, a trampoline for the upcoming quantum computational supremacy）”。美国物理学会Physics网站对该工作的总结指出：“这意味着量子计算领域的一个里程碑：接近经典计算机不能模拟量子系统的地步（ it signifies a milestone in the field of quantum computation: approaching the point where a classical system cannot feasibly mimic a quantum system）”。

该研究工作得到了自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省、上海市科委等单位的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.250503

报道链接：https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.250503