光照光量子计

8日，记者从中国科学技术大学获悉，该校由潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队，基于“九章”光量子计算原型机完成了对“稠密子图”和“Max-Haf”两类图论问题的求解，通过实验和理论研究了“九章”处理这两类图论问题为搜索算法带来的加速，以及该加速对于问题规模和实验噪声的依赖关系。该研究成果系首次在具有量子计算优越性的光量子计算原型机上开展的面向具有应用价值问题的实验研究。相关论文日前以“编辑推荐”的形式发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，并被物理网站专题报道。国际学术界对量子计算的实验发展制定了三步走的路线图，其中第一步是实现“量子计算优越性”，即通过高精度地操纵近百个物理比特，高效求解超级计算机无法在合理时间内解决的特定的高复杂度数学问题。这一步的意义在于首次从实验上确凿地证明量子计算加速，并挑战“扩展的丘奇—图灵论题”。因此，国际学术界下一阶段的一个重要科研目标是探索利用量子计算原型机演示具有实用价值的问题的求解。近期，潘建伟团队在继续发展更高质量和更强拓展性的光量子计算原型机的同时，开展了将“九章”所执行的高斯玻色采样任务应用于图论问题的研究探索。图论起源于著名的“哥尼斯堡七桥问题”，被广泛用于描述事物之间的关系，例如社交网络、分子结构和计算机科学中的许多问题均可对应到图论问题。高斯玻色采样与图论问题具有紧密的数学联系，通过将高斯玻色采样设备的每个输出端口映射到图的顶点，将每个探测到的光子映射到子图的顶点，研究人员可以利用实验得到的样本加速搜索算法寻找具有更大密度或Hafnian的子图的过程，从而帮助这两类图论问题的求解。这两类图论问题在数据挖掘、生物信息、网络分析和某些化学模型研究等领域具有重要应用。此次研究中，研究人员首次利用“九章”执行的高斯玻色采样来加速随机搜索算法和模拟退火算法对图论问题的求解。研究人员在实验中使用了超过20万个80光子符合计数样本，相比全球最快超级计算机使用当前最优经典算法精确模拟该实验的速度快约1.8亿倍。

量子计算机从实验室走向产业化应用的步伐正在加快。北京玻色量子科技有限公司日前发布了自研100量子比特相干光量子计算机——“天工量子大脑”，该成果目前已在通信、金融、生物医药、交通等产业领域进行了真机应用测试。量子计算，是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。随着电子计算机赖以提升算力的摩尔定律逐渐走到尽头，人们对新一代计算工具无比渴求，量子计算机正是备受关注的新一代计算工具的代表。量子比特是量子计算机的基本信息单元，当前，在实验室里制备单个或少量的量子比特对量子物理学家来说已经不再是难题，如何制备出成百上千的量子比特并使其在系统中稳定运行，成为量子计算技术从实验室走向产业应用的最大挑战。据悉，“天工量子大脑”具有100个计算量子比特，可以解决最高超过100个变量的数学问题，已达国际领先水平。此外，它还实现了上百规模光量子之间的“全连接”控制，具备完整的可编程能力，也就是对应不同的应用场景和不同算法时硬件无需修改，完全通过软件配置就能实现可扩展、可编程，充分利用光量子计算优势，极大降低了实际问题的建模复杂度。公司首席技术官魏海介绍，当光穿过非线性材料时，其光子的波长和相位都会发生变化，在精准控制其能量和相位的过程中，在相空间会出现量子叠加态效应，这也是“天工量子大脑”实现加速计算的根本原因，玻色量子技术团队利用该效应，完成了100光量子比特的并行加速计算。为了满足光量子存储运算的极高精度需求，实现超过100个量子比特的存储，技术团队自主研发了一款光量子计算专用光纤恒温控制设备——“量晷”，该设备能将光纤的温度变化稳定在千分之一摄氏度量级，即能够做到0.001摄氏度的温度稳定维持，有效避免环境温度波动带来的光纤内存长度误差。为了导入计算问题的参数矩阵，玻色量子自研了光量子测控一体机——“量枢”，集光量子测量反馈、系统状态检测、计算流程控制等功能于一体，同时控制、读取和执行快速反馈来操控100个计算量子比特。量子计算应用在产业的实际场景中，究竟有何优势？平安银行LAMBDA创新实验室负责人崔孝林介绍，其在“天工量子大脑”上实现了对德国信用数据集特征筛选计算的加速，在不到一毫秒的时间内完成了相关问题的求解。这一计算速度与传统的经典计算机最优算法相比，至少实现了100倍加速。北京航空航天大学教授、数据智能与智慧管理工信部重点实验室主任吴俊杰也举例说道，在复杂环境下的动态决策问题困扰了其很久，量子计算为其提供了新的解决思路和技术路径。北京量子信息科学研究院科研副院长、清华大学物理系教授龙桂鲁说，在量子计算机的多种技术路径里，“天工量子大脑”所属的相干伊辛机是最经济实用的，也是当前具产业化应用条件的方向之一。据悉，玻色量子2020年11月成立于北京朝阳区，其团队来自斯坦福、清华、中科院等顶尖院所，目前其成果已率先在金融、通讯、生物医药、交通等领域进行了应用探索，推动光量子计算领域实用化与产业化。3个月前，因“天工量子大脑”在通信、金融等领域的巨大潜力，玻色量子团队获得了中国移动的产业投资，这也是量子计算行业里首例来自产业领域的战略投资。

作者：Sophie编辑：Joanna对于太阳能转换器件和生物成像应用程序来说，使用发射近红外光、具有显著斯托克斯位移且再吸收损失小的材料非常重要。近期新加坡国立大学化学系便合成了这样一种新型材料——四元混合巨壳型量子点（InAs?In(Zn)P?ZnSe?ZnS）。这种新型量子点可以实现显著斯托克斯位移，且光致发光量子效率可达25%，非常适合应用于太阳能及生物领域。Tips: 斯托克斯位移是指荧光光谱较相应的吸收光谱红移（斯托克斯位移=发射波长-吸收波长）。斯托克斯位移越大，荧光太阳能光电转换效率越高。图片来源于网络 单锅连续注射&结构比例控制合成新型量子点的关键新加坡国立大学使用单锅连续注射的方法来合成该量子点。四元混合巨壳型量子点结构主要成分由内到外比例为1: 50: 37.5: 37.5合成过程分为4步，由内向外，依次为：1. 合成该量子点InAs内核2. 向InAs核反应容器中注射As前驱体溶液、醋酸锌和磷酸氢，完成第2层In(Zn)P壳层的合成3. 向反应体系注射Se前驱体溶液合成第3层ZnSe壳层4. 注射S前驱体溶液和醋酸锌完成ZnS壳层的合成四元混合巨壳型量子点合成过程图示合成过程中，研究人员会定时从反应容器中取出小部分溶液测量其紫外可见吸光度和光致发光特性来跟踪反应进程，并调整量子点间的结构比例。他们利用HORIBA高能量窄脉宽 Nanoled-440L皮秒脉冲激光光源对样品进行激发，在FluoroLog-3 荧光光谱仪上测试荧光寿命。在新的荧光光谱技术中，FluoroLog-3 系列荧光光谱仪配置CCD检测器新技术，实现快速动态荧光光谱检测，实现实时反应发光测试，分子相互作用的动态检测。新型量子点材料助力太阳能及生物应用用领域终合成的巨壳量子点，In(Zn)P壳层能够吸收400-780 nm的可见光，并将吸收后的能量传递到InAs内核，使其在873nm处发射，进而实现显著的斯托克斯位移和很小的吸收-发射光谱重叠；经统计计算，该量子点光致发光量子效率可达25%，这对于近红外发射器来说相当可观，且它在873nm的发射光与硅太阳能电池的光敏响应区匹配良好。并且这一新型量子点为可调色发光，不含有害金属。种种优点使得该量子点不仅非常适合应用于荧光太阳能领域用以提高光电转换效率；且在生物领域，该量子点也可作为荧光材料用于生物成像，给疾病的诊断和治疗带来巨大进步。该工作以“Large-Stokes-Shifted Infrared-Emitting InAs?In(Zn)P?ZnSe?ZnS Giant-Shell Quantum Dots by One-Pot Continuous-InjectionSynthesis”为题，发表于《Chemistry of Materials》。 HORIBA科学仪器事业部HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案，如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术，旗下Jobin Yvon光谱技术品牌创立于1819年，距今已有200年历史。如今，HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的选择，之后我们也将持续专注科研领域，致力于为全球用户提供更好的服务。