专用量子计算机

背景介绍

玻色量子自主研发的专用量子计算机（相干光量子计算机，SPQC）是一种专用的求解Ising模型的量子计算机，由光量子态制备、光量子存储器和测控一体机三个核心模块组成。基于Ising模型原理，通过光纤中的激光脉冲进行量子比特的制备，利用量子系统往基态能量进行衍化的过程来寻找最低哈密顿量（计算问题的最优解），具有极高的并行计算能力和快速求解能力。

通过创新的技术路径和云服务模式，SPQC为解决量子计算面临的挑战提供了全新方案：

技术特点	主要优势
技术创新	● 基于光学参量振荡的量子计算范式 ● 室温环境下稳定运行，无需复杂制冷系统 ● 自然并行的光学网络架构，支持大规模优化
云服务架构	● 标准化REST API接口 ● 简洁的界面化任务提交流程 ● 灵活的计算模式选择（优化模式/采样模式）
应用支持	● 完整的SDK开发套件 ● 丰富的示例程序和应用模板接口 ● 专业的技术支持服务

目前玻色量子专用量子计算机支持550、1000量子比特真机算力，计算时间在毫秒级之间。如需更高量子比特计算支持，可联系玻色量子官方人员。

物理原理

上图展示了专用量子计算机的物理原理架构图，通过控制光脉冲的强度和相位，SPQC可获得比传统计算机更强大的计算能力。

首先，脉冲激光器通过耦合器被调制成两束脉冲序列，其中一束作为本地振荡光（Lo），用于后续探测输出光的相位信息；另一束则作为泵浦脉冲（Pump Pulse），作为系统的“能量源”为系统持续提供能量。光脉冲通过二次谐波产生（SHG）过程，将光的频率加倍，生成更高能量的光；接着这些光经过周期性极化铌酸锂波导模块（PPLN waveguide），将频率再次降倍调整，使光脉冲的相位产生随机性；同时，通过简并光学参量放大效应（DOPA）对光子进行积累，光脉冲被调制成若干具有随机相位的信号脉冲（Signal pulses#2、#1）。

接下来，光信号分为两部分：一部分进入环形腔（Ring Cavity，包含PPLN、耦合器、光纤），另一部分通过输出耦合器（Outlet Coupler）导出，与参考光（Lo）一起输入到BHD平衡零差探测器（Balanced Homodyne Detector）中，将光脉冲的相位转换为电脉冲的幅度，电脉冲再通过模数转换器（ADC）转换为数字信号进入FPGA（现场可编程门阵列）。FPGA就像计算机的“大脑”，负责协调整个系统的运行，将每个电信号脉冲的峰值组成一组列向量，和矩阵（由实际求解问题定义）相乘得到另一组列向量，新的列向量通过数模转换器（DAC）被调制为电脉冲信号的峰值幅度。这个信号通过光强度调制器（IM）和相位调制（PM），被调制到另一束参考光上，最终通过合束器（Injection coupler）与环形腔中的光信号发生干涉、相消或者相长。这一过程被称为光学参量振荡过程（DOPO），其中IM用于调整光信号的强度，PM则用于调整光信号的相位。

在光学参量振荡过程中，信号脉冲（Signal Pulses）的相位代表Ising模型中每个原子自旋的方向。当上述过程持续循环时，起初由于系统能量很低，大多数光脉冲会在干涉相消的过程中回到低光子数的状态，收到量子噪音的影响相位发生翻转。随着泵浦脉冲持续注入，系统能量会持续增加，当系统能量增加到某个阈值时，所有的光脉冲不再干涉相消翻转相位，即出现自发对称性破缺（Spontaneous Symmetry Breaking，一种量子现象，指的是系统在没有任何外部干扰的情况下，自发地从对称状态转变为非对称状态，从而从多个可能解中选择一个最优解）现象。此时每个光脉冲对应的相位配置，就对应原Ising问题（由矩阵定义）最优解。这些光脉冲的相位，会由FPGA最终读出，传递回上位机（Kaiwu SDK的服务端）。这种能量由低到高的寻找最优解过程，比传统模拟退火算法（SA）和量子退火算法，都能更快地获得最优解。

图2 自发对称性破缺现象示意图

在后篇的【论文引用库】中为各位推荐了专用量子计算机原理&应用相关优秀论文，欢迎大家参考引用。