北京理工大学物理学院张向东AdP：基于量子信息过程启发构建的通用经典光计算方案

创新点：北京理工大学物理学院张向东教授课题组通过设计经典多模激光束之间的关联关系以及相应的调制方法，构造出了能够与通用量子计算相等效的光学信息处理过程。在此基础之上，他们利用实验平台对给出的方案进行了验证。

关键词：经典光学, 光信息处理, 量子信息，通用计算。

光计算的主要思想是利用光学自由度的调控来完成对信息的处理过程。最早关于光计算的探索可以追溯到60年前。在早期研究中，人们主要通过光学调控实现了对联合变换函数的计算，实现了矩阵乘法器，以及一些简单的逻辑运算器，等等。最近几年，随着纳米光学器件，光学晶体制备等技术的不断升级，人们的光学调控手段有了极大的进步。这使得实现更为精密和复杂的光计算过程成为了可能。然而在当今的信息社会，人们对于信息处理的要求也有了前所未有的提升。对于目前人们面对的普遍意义上的计算问题，光计算策略是否能够完全胜任仍是一个尚未明晰的问题。并且，考虑到当前主要的计算器件是以电子线路为基础构建的，在光学系统中是否能构造出弥补电子计算平台短板的计算系统也是当前光计算方案研究的一个重要的思路。

最近，北京理工大学物理学院张向东教授课题组通过设计经典多模激光束之间的关联关系以及相应的调制方法，构造出了能够与通用量子计算相等效的光学信息处理过程。在此基础之上，他们利用实验平台对给出的方案进行了验证。相关结果以“Universal Classical Optical Computing Inspired by Quantum Information Process”为题，发表在Annalen der Physik上。

作者在论文中指出，在特定的条件下，多模偏振光束的经典关联关系与量子比特的关联测量结果之间存在良好的对应。并且，与通用量子计算中的幺正操作相对应的经典光学调控也可以在上述基础之上给出。具体而言，作者分别给出了与单量子比特转动操作以及双量子比特受控非门相对应的经典光学调控方案。然后，通过将上述光学调控进行合理组合，作者在理论上进一步给出了对应任意多量子比特通用计算的光学调控方案。最终，作者选取双量子比特幺正操作中的一种（由三个受控非门以及五个单量子比特转动门构成），验证了上述光计算方案与量子计算之间的对应关系。从作者提供的数据可以看出，该实验实现的状态调控结果与量子理论给出的结果非常吻合。这同样意味着该方案具有良好的可实现性。从整体而言，该工作说明了经典光学系统可以构造出能够执行通用计算的结构，理论上满足当前复杂的信息处理需求。并且，更进一步而言，考虑到量子计算相对于传统计算的潜在优势，该工作给出的与量子计算对应的光计算系统也在一定程度上有潜力实现优于目前计算平台的信息处理过程。因此，上述工作为开拓新的高效信息处理方法提供了一种十分有意义的思路。该工作的通讯作者为北京理工大学物理学院的张向东教授。北京理工大学物理学院特聘副研究员孙亦凡为论文的第一作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划（2017YFA0303800）、国家自然科学基金（9180205,11904022）的支持。