量子计算技术，全球首款专用光量子计算软件发布

本文转载自上海交通大学光量子信息实验室

今天，上海交通大学金贤敏教授带领的光子集成与量子信息实验室发布了全球首款专用光量子计算软件！

这款名为FeynmanPAQS的量子计算软件专注于一系列专用光量子计算算法的实现、图形化界面和实用化开发，其命名旨在向提出量子计算和量子模拟的著名物理学家费曼(Richard P. Feynman)致敬，PAQS则是基于光学的专用模拟量子计算（Photonic Analog Quantum Simulation）的首字母缩写。介绍FeynmanPAQS专用光量子计算软件的论文预印本今天在arXiv上在线发表[arXiv:1810.02289 (2018)]。

1981年，著名物理学家、1965年诺贝尔物理学奖得主费曼在麻省理工学院的发表题为“Simulating Physics with Computers”的演讲[后成文发表于International Journal of Theorectical Physics 21, 467-488 (1982)]，首次提出量子计算的思想。费曼设想可以直接利用量子特性来模拟物质世界中的实际问题，让量子计算机的运算过程对应于物理世界的过程，从而实现并行高效地计算求解。因此，专用量子计算（量子模拟）作为实现量子系统与实际计算问题的直接有效对应思想的源头，一直是量子计算研究和发展的核心路线之一。

近年来，关于通用量子计算机的新闻屡见于报端，IBM、谷歌、英特尔等公司争相宣告实现了更高的量子比特数纪录。但是业界共识是即使做出几十个甚至更多量子比特数，如果没有做到全互连、精度不够并且无法进行纠错，通用量子计算仍然无法实现。与之相比，专用量子计算可以直接构建量子系统，不需要像通用量子计算那样依赖复杂量子纠错。一旦能够制备和控制的量子物理系统达到全新尺度，将可直接用于探索新物理和在特定问题上推进远超经典计算机的绝对计算能力。

目前软件包括四大主要模块：

（1）可自由设计的量子行走 (QW)；

（2）面向开放系统的量子随机行走 (QSW)；

（3）多粒子量子行走 (MultiParticle)；

（4）玻色采样(BosonSampling)。

接下来对每一模块的物理原理和使用方法逐一解读。

可自由设计的量子行走(QW)模块可以实现单个光量子的时间连续型量子行走(Continuous-time quantum walk)。单光子从一根波导中注入，初始状态为

通过倏逝波耦合传播到邻近的波导中，在大型二维阵列中演化，满足：

H就是包含波导结构信息的哈密顿量矩阵，它的对角线上是βi, 即沿自身波导i的传输系数，非对角线上是Cij，即波导i与j之间的耦合系数，与波导间距呈指数衰减关系，因此波导分布确定时Cij就可相应地确定。波导传输长度z代表演化时间，而光子在波导截面的分布则体现了实时的量子行走演化图形。通过波导的设计就可以构建指定的哈密顿量，实现特定的专用量子计算和量子模拟方案。

在可自由设计的量子行走模块中，用户可以设定常规的方形阵列结构，自由设定水平竖直方向的波导数目、水平竖直波导间距，以及指定入射的波导和演化长度。

更易有意思的是，软件提供了一个可天马行空、自由设计任意波导阵列结构的画板，只需要在画板上轻点鼠标，就可以将一根波导确定在这个坐标上。可以画爱心，也可以画五角星（庆祝祖国生日），任何结构只要呈现出来，软件就生成了对应的哈密顿矩阵，用户就可以看到从结构中某一根波导注入、演化指定长度时的实时量子行走演化图形。

△ 光子在手动画出的任意结构中的演化分布图像

如果将不同演化长度的图像合成动图，就可以看到量子行走随时间演化的过程，看到概率分布强度如星星般闪烁的动态变化。

△ 方形格子中二维量子行走随时间演化

软件也允许用户精确导入自己定义的波导坐标文件，或者对画板上波导坐标进行微调。这样就可以保证哈密顿量矩阵精准满足用户的设计。用户可以根据研究问题对于哈密顿矩阵的具体要求，设计相应的波导阵列结构，方便开展科研和工程化研究。

面向开放系统的量子随机行走模块（QSW）基本沿用了量子行走模块（QW）的可交互界面和功能，在此基础上形成量子随机行走的模拟平台。

量子随机行走(Quantum Stochastic Walks)，就是量子行走和经典随机行走的混合，是分析量子开放系统的重要工具。在真实物理世界中，比如凝聚态、生物系统等，常用量子开放系统来描述，这里既不是完全的量子行走，也不是完全的经典随机行走，往往是二者的混合状态，即量子系统受到来自环境的经典噪声退相干。量子、随机和退相干在其中扮演角色一直是科学家探索未知的物态本质和生物体的研究焦点。

量子随机走常用Lindblad方程来描述，用一个参数调控量子随机行走中量子行走的比例。不过由于Lindblad方程的参数比较难在具体的物理体系中一一对应，在光量子芯片的量子随机行走采用一个可以直接对应光波导物理参数的模型：Δβ模型 。

β是沿波导方向的传输系数，与波导制备参数有精准的对应关系。通过调控波导参数来不断引入β的随机改变值Δβ，可以在哈密顿矩阵的对角线上引入随机扰动，随机波动的幅度越大引入的经典随机行走因素越多。运用这个可以直接指导光量子芯片实验的模型，可以实现很多量子开放系统的直接模拟。