新闻及香港科大故事

香港科技大学（科大）工学院成功研发出一款能在极低温环境下运行的新型计算方案，克服了人工智能代理与量子处理器之间的延迟问题，并提升效能，推动了量子运算与人工智能的融合。是项研究由电子及计算机工程学系助理教授邵启明领导，其技术核心是由磁性拓扑绝缘体制作的霍尔器件实现。 量子电脑被视为高效丶快速运算的未来，随着人工智能技术进步一日千里，两者的结合更成为了全球科技发展的新方向。然而，量子运算在操作环境及硬件上有一定需求，一直是个重大挑战。 邵教授介绍说：「量子电脑进行的运算非常复杂，因此需要运用数千个量子比特。为了进一步发掘它的潜力，学术界近期开始藉助机器学习技术，提升量子计算能力，尤其是在纠错方面。」 量子处理器一般需要在毫开尔文（相当于约摄氏零下273度）的超低温下运行，而图形处理器则在室温下操作。因此，两者的安装通常会相隔数米，并通过线路连接，让人工智能硬件调控量子处理器。这段距离往往对指令传输造成显着延迟（见图1a）。 因此，为解决装置之间距离所带来的延迟，由邵教授带领的研究团队提出了一种崭新的低温存内计算方案，使人工智能加速器可在量子处理器的数十厘米范围内操作（见图1b）。随着两者距离缩短，运算延误大幅削减，而效能则得以提升。 研究团队认为，磁性拓扑绝缘体在这项应用中具有巨大潜力。这类材料不仅具备绝缘体的体带隙，其表面或边缘还存在导电态。这些特性令它在低温下呈现出独特的现象，例如「自旋—动量锁定效应」（电子自旋方向垂直于动量方向），可以高效地生成自旋电流；又例如「量子反常霍尔效应」（电子只沿边缘移动，并且没有电阻），可通过手性边缘态实现，无需磁场。 研究团队还特别选择了铬掺杂刨锑碲磁性拓扑绝缘体（Cr-BST）。该材料以其巨大的量子反常霍尔电阻和高效的电流诱导磁化翻转能力着称，可显着提升霍尔器件性能。 邵教授表示：「这项研究首度验证霍尔电流求和方案于低功耗存内计算的可行性，特别聚焦低温环境应用。经实验验证，该磁性拓扑绝缘体霍尔桥阵列即使置于量子处理器所需超低温环境周边，仍能有效执行强化学习演算法，成功完成量子态制备等任务。」

香港科技大学（科大）的研究人员发现一个新方法，利用粒子损耗这种在量子器材中通常需要避免的过程来控制量子态，有机会能为实现前所未有的量子态开闢新的途径。 操控量子系统需微妙地掌控量子态，不能有丝毫不完美的运作出现，否则量子态中的有用信息会被扰乱。其中，有份组成系统的粒子出现损耗，乃掌控量子领域中面对最普遍而重大的挑战。科学界一直透过孤立系统来避免这个问题。惟现在，科大的研究人员发现了一种能通过原子量子系统中的损耗来控制量子的方法。 这项发现近日於《自然物理》杂誌上发表。 负责这项研究的科大物理学Hari Harilela副教授曹圭鹏表示，研究结果显示「损耗」有潜力成为量子控制的开关。 「量子力学的教科书指出，只要把系统从环境中有效分隔开来，系统便不会受粒子损失的影响。然而，不论是传统系统抑或量子系统，开放的系统总是无处不在。而正如非厄米特物理学理论所形容，这样的开放系统呈现了很多有违直觉，以及无法在厄米系统中观察到的现象。」 含损耗的非厄米物理学在传统系统中早已得到充分的探讨，但直到最近，这种有违直觉的现象方在真正的量子系统中得被观察得到且加以实现。在这次研究工作中，科大的研究人员改变了系统的参数，沿著特殊点（亦即非厄米系统中的奇异点）周围建立了一个闭环路径，发现了闭合路径旋转的方向（例如顺时针或逆时针），能决定最终的量子状态。 该团队的另一位负责人，科大物理学系李赞恒教授表示：「这种跟手性有关的特性﹕即围绕奇异点、由方向决定的量子态转化，可以是量子控制的一个重要组成部分。我们现正站立於控制非厄米量子系统的起始点。」

香港科技大学（科大）及华南师范大学（华师）的研究团队，创出光子量子内存新纪录，为实现量子计算机应用推进一步。 正如传统计算机中的内存，量子内存是量子计算机中不可或缺的组件。量子计算机是建基于量子力学规律的新一代数据处理器，不但能克服传统计算机的限制，其强大计算能力更有望拓阔基本科学的界限，譬如协助研发新药物、破解天文学谜思，或开发更准确的预测系统与优化计划等。有别于传统计算机的计算单位「比特」(bits)，量子计算机以「量子比特」(qubits)进行计算，每个单位可同时并行处理0和1，原则上可较传统计算机更快及能处理更复杂的运算。 光子量子内存可以储存并读取飞行单光子的量子态。但要制备高效能的量子内存，至今仍旧是一个重大的挑战，因为这需要一个高效的光子-物质的量子接口。此外，由于单一光子的能量非常微弱，极容易被杂乱的背景光所盖过。因此量子内存的效能长期被局限于百分之五十以下 - 低于可让量子内存作实际应用的门坎数值。 如今，由科大物理学系及蒙民伟纳米科技研究所杜胜望教授、科大博士毕业生及现任华师教授张善超、前科大博士后及现任华师教授颜辉、以及来自华师与南京大学的朱诗亮教授所带领的研究团队，首次突破瓶颈，将单光子量子内存的效能提升至85%以上、保真度超过99%。 团队利用激光和磁场将数以亿计的铷原子捕捉到一个毛发状的窄小空间之中，并将这些原子冷却至接近绝对零度（约0.00001 K），从而创造了一个量子内存。团队还巧妙地将单个光子与光学噪音区分开来。是次研究成果使量子计算机『大众化』这梦想迈前一步。这种量子内存还可被用作量子网络的中继器，为新一代量子互联网奠定基础。