摘要：相干伊辛機?(CIM) 使用光量子計算方案取得突破性進展，在計算規(guī)模上已經(jīng)大大領先其他技術路線，體現(xiàn)出規(guī)?；瘍?yōu)勢，并計劃將率先投入實用。

9月底在《Science Advance》上發(fā)表的一篇論文指出，相干伊辛機 (CIM) 這種光量子計算方案又取得了重大技術突破，實現(xiàn)了100,512自旋的CIM計算實驗，率先突破10萬大關，在所有量子計算技術方案中遙遙領先。該論文由日本電報電話公司（以下簡稱“NTT”）與日本國立信息學研究所（以下簡稱“NII”）合作發(fā)表。

什么是CIM

目前，經(jīng)典計算機的研發(fā)已經(jīng)逼近物理極限，摩爾定律逐漸失效。各種新型的計算體系結構，尤其是基于特定物理系統(tǒng)的量子計算機的研究正在飛速發(fā)展，其中的超導、光量子、離子阱等技術方案已經(jīng)廣為人知。進入2021年來，光量子計算路線在技術研發(fā)、融資規(guī)模、市場化應用上都取得了令人矚目的進展，因此業(yè)界有人稱2021年為“光量子元年”。

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相干伊辛機（CIM）正是一種使用光量子的量子計算方案，因為具有多種優(yōu)勢和潛力，是目前的熱門方案之一。包括NTT、NII、NASA、斯坦福、加州理工、馬里蘭、東京大學等研究院所和院校，以及中國的玻色量子科技公司，都在從事著CIM方向的研發(fā)工作。

簡單來說，CIM就是通過一種稱為“DOPO”的激光脈沖來高速求解組合優(yōu)化問題的專用量子計算機。它使用DOPO網(wǎng)絡來模擬統(tǒng)計物理中的“伊辛模型”，因為DOPO中的光子能量遠大于環(huán)境中熱噪聲的光子能量，這使研究人員能夠在室溫下通過一套物理系統(tǒng)來實現(xiàn)光子的低溫自旋行為。

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PZT：帶壓電元件的光纖相位控制器；BPF：光學帶通濾波器；PMF：偏振保持光纖；ADC：模數(shù)轉換器；DAC：數(shù)模轉換器。（圖片來源：《100000—spin coherent Ising machine》論文【1】）

從理論上說，CIM可以用于各種NP-hard問題的求解，并且有進行門計算的潛力。因為CIM使用的伊辛模型是一個建模各種復雜系統(tǒng)的典范，廣泛存在于自然、社會、人工等復雜系統(tǒng)中，可應用于材料相變、蛋白質優(yōu)化、股票市場、種族隔離、政治選舉等各種不同領域的分析優(yōu)化。當下神經(jīng)科學和深度學習的很多最新進展也和這個模型相關，因此伊辛模型還可以用來構建模神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，進而搭建可適應環(huán)境變化而不斷自主學習的計算機，也就是“量子大腦”。

如何實現(xiàn)10萬個自旋的CIM

那么如何實現(xiàn)10萬自旋量子比特規(guī)模的CIM呢？

論文中提到，在該CIM系統(tǒng)中，時分復用的 DOPO 脈沖作為壓縮真空脈沖注入在非線性光波導中，并在 5 公里的光纖腔中循環(huán)，這些脈沖同時經(jīng)歷數(shù)字輔助相互作用和非線性振幅演化，利用DOPO脈沖之間的量子效應，以此尋找伊辛模型的基態(tài)能態(tài)，最終通過超過100,000個 DOPO 脈沖的集體相變映射，求解出最優(yōu)的結果。

早在2016年，NTT基礎研究實驗室的研究團隊就發(fā)布了一套CIM系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用測量/反饋的技術在遠程光纖腔中完全耦合生成了2000個DOPO脈沖，可實現(xiàn)多達400萬個耦合。作為該研發(fā)團隊技術帶頭人，NTT基礎研究實驗室的高級杰出研究員武居弘樹博士（Dr. Hiroki Takesue）告訴量子前哨，在此基礎上就可進一步將CIM的規(guī)模拓展到10萬自旋。而這一過程中，最大的挑戰(zhàn)就在于光學部分和測量反饋部分。

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關于光學部分，武居弘樹博士表示：“我們將光纖腔的長度從 1 公里增加到 5 公里，泵脈沖的重復頻率從 1 GHz 增加到 5 GHz，從而在光纖腔中產(chǎn)生大于10 萬個 DOPO 脈沖。但是相應的，較大的光纖腔會導致較大的光損失，這意味著需要增加非線性波導的增益，用于相位敏感放大。通過改進制造工藝以及光纖耦合模塊的設計，我們開發(fā)了效率更高的非線性波導 ——也就是PPLN 波導模塊?！?/p>

此外，光纖的長度越長，腔體的不穩(wěn)定性越大，這主要是由環(huán)境溫度波動引起的。為了抑制這種不穩(wěn)定性，武居弘樹帶領團隊開發(fā)了一個系統(tǒng)，使用Peltier設備精確控制如此長距離的光纖（除了鎖相腔系統(tǒng)）。由于本次實驗僅僅通過增加光纖長度和重復頻率就做到了10萬量子比特，因此這一CIM系統(tǒng)的規(guī)模仍有進一步擴大規(guī)模的余地。

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武居弘樹博士告訴量子前哨：“事實上，此前我們就已經(jīng)報告了使用20公里光纖腔和10GHz重復頻率，最終生成了100萬個DOPO脈沖的實驗，論文發(fā)表于（Opt. Lett.41，4273-4276（2016））。”

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至于測量反饋部分，武居團隊開發(fā)了一套系統(tǒng)，能在25微秒內執(zhí)行100k x 100k矩陣和100k元元載體的乘法計算，即可滿足5公里光纖腔的脈沖往返時間的要求。武居弘樹強調：“該系統(tǒng)所需FPGA芯片超過50個。如果未來還想把它擴展至能夠滿足100 萬自旋系統(tǒng)計算，我們可能需要開發(fā)用于矩陣計算的特殊電路 （ASIC）系統(tǒng)?！?/p>

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基于上述光學系統(tǒng)和測量/反饋系統(tǒng)的改進，武居團隊最終完成了目前世界上最大規(guī)模的CIM，可以實現(xiàn)10萬個脈沖和高達100億個相互耦合的DOPO網(wǎng)絡。對于包含10萬個計算參量的大規(guī)模組合優(yōu)化問題，經(jīng)過實驗測試，該解決方案比在經(jīng)典計算機上實施的模擬退火算法?(SA) 快 1000 倍以上，且精度更高。

突破10萬量子比特的意義及未來展望

武居弘樹博士告訴量子前哨，此次研究成果具有以下重要的里程碑意義：?

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第一，它是用光學實現(xiàn)的最大規(guī)模的伊辛機系統(tǒng)；

第二，該CIM在 600 微秒內找到了 100，000 節(jié)點全連接圖的最大割問題的的合理近似解決方案，比在經(jīng)典計算機上采用模擬退火算法的方案（用時約為 0.7 秒）快 1000 倍以上；

第三，這種在 DOPO 閾值附近操作的 CIM 相干量子計算系統(tǒng)可以提供廣泛的解決方案分布，與模擬退火算法獲得的分布相比，提供的解決方案更優(yōu)。這使得CIM 更適用于需要快速求解（如組合優(yōu)化和機器學習）等應用場景。

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對于武居團隊的成就，康奈爾大學物理學助理教授，2019 年谷歌量子研究獎獲得者彼得·麥克馬洪（Peter McMahon）評價道：“我認為NTT 此次十萬自旋的CIM系統(tǒng)絕對是一項重要的工程成就，這表明CIM的算法和機制可以真正擴展到十萬次自旋以上，并且仍然運行良好?！?/p>

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目前CIM相干量子計算方案是已實現(xiàn)的量子比特數(shù)最大的方案，也是主流方案中有望最快實現(xiàn)百萬量子比特的方案。而且CIM通過對激光的精準控制，不需要超低溫環(huán)境，在室溫下即可運行，具有穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)定的操控，和穩(wěn)定的結果“三穩(wěn)”特點，運行成本遠遠低于其它技術方案，商業(yè)化的潛力更好。

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盡管CIM的自旋量子比特與通用量子計算的量子比特數(shù)無法直接進行比較，但此次突破也可認為是一個里程碑級別的事件。在全球量子計算領域技術爭奪戰(zhàn)中，CIM無疑在量子比特數(shù)規(guī)模上領先了超導、離子阱等其它路線幾個身位，率先進入了十萬量子比特時代，距離百萬量子比特又接近了一步。在接下來的戰(zhàn)局中，CIM量子計算方案還將拿出什么“獨門絕技”與超導、離子阱等方案競爭，并率先實現(xiàn)商業(yè)化應用，讓我們拭目以待！

參考文獻：

1.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).

2.https://group.ntt/jp/newsrelease/2021/09/30/210930a.html

文：慕一/王珩

編輯：王凱/王衍