導(dǎo)讀

智能量子接收原型機(jī)能自主學(xué)習(xí)復(fù)雜的解碼方案并適應(yīng)環(huán)境噪音。在實(shí)驗(yàn)中，通過對噪音的建模和學(xué)習(xí)，智能量子接收機(jī)的性能在兩種解碼任務(wù)中相比原有方案都得到了15%左右的提升，并實(shí)現(xiàn)了低于散粒噪聲極限約40%的誤碼率。

背景介紹

從自然進(jìn)化而來的視覺，到古時利用烽火傳遞的情報，再到如今與生活息息相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，光一直都是承載信息高速傳播的一種重要媒介。一般而言，想利用光或者電磁波可靠地傳遞信息，要求接收的信號強(qiáng)度大于噪音。然而，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)來自真空漲落的散粒噪聲是系統(tǒng)中不可避免的噪音源。這種量子漲落使兩個不同相干態(tài)的波函數(shù)在能量較低時具有較大的重疊部分，傳統(tǒng)技術(shù)無法有效區(qū)分，以至于誤碼率隨著信號強(qiáng)度的減弱指數(shù)增加。量子接收機(jī)是突破此極限的唯一可能。

上世紀(jì)七十年代，MIT的研究人員S. J. Dolinar提出的量子接收機(jī)方案在解碼二進(jìn)制相位編碼的相干態(tài)電磁波任務(wù)中有望實(shí)現(xiàn)低于散粒噪聲極限的誤碼率，同時被證明可達(dá)到了量子信息學(xué)所允許的Helstrom理論極限。

直到2007年，該方案的優(yōu)勢才由新墨西哥大學(xué)的研究組首次于實(shí)驗(yàn)中展示。受限于單光子探測器的效率、暗計數(shù)和實(shí)驗(yàn)平臺中的噪音，該實(shí)驗(yàn)最終的誤碼率仍遠(yuǎn)超可實(shí)用范圍。之后，前饋量子接收機(jī)系統(tǒng)被美國及日本的多個研究組實(shí)現(xiàn)，并推廣到了四相位調(diào)制以及脈位調(diào)制信號。這些實(shí)驗(yàn)展示了前饋量子接收機(jī)的驚人優(yōu)勢及其對復(fù)雜編碼的解碼潛力，也為未來可能的星際通信技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期仍有較大距離。

自Dolinar方案提出以來，量子接收機(jī)的設(shè)計范式一直秉承著利用極大似然估計和貝葉斯推斷技術(shù)求得誤碼率最低時的解析解。然而隨著編碼變得復(fù)雜，前饋量子接收機(jī)解碼方案的設(shè)計難度隨解碼空間維度指數(shù)增加。且近年來的研究表明，已有的量子接收機(jī)設(shè)計范式無法有效應(yīng)對由環(huán)境擾動和器件瑕疵帶來的噪音。

同期的理論文章證明，由于目前實(shí)驗(yàn)中的量子操作為高斯型，即便是完美的系統(tǒng)也并不能在任意編碼上都達(dá)到量子信息極限，而所需的非高斯態(tài)將使設(shè)計難度進(jìn)一步上升。另外，在含噪中等規(guī)模量子計算框架中，利用經(jīng)典前饋的量子態(tài)制備與操作也需要復(fù)雜的方案。這類平臺與量子接收機(jī)都面臨相似的挑戰(zhàn)。鑒于此，對前饋量子處理器設(shè)計范式的革新迫在眉睫。

另一方面，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)越來越成熟，利用人工智能框架輔助進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計不斷創(chuàng)造著更高效的實(shí)驗(yàn)方案，甚至在多種復(fù)雜任務(wù)中超越了經(jīng)驗(yàn)豐富的專家。新的增強(qiáng)學(xué)習(xí)內(nèi)核可以在極廣袤的參數(shù)空間內(nèi)，找到更優(yōu)的策略。這使得包含大量參數(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺可以自我調(diào)節(jié)，并在復(fù)雜的環(huán)境中自動搜尋更好的解決方案。



圖1.自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的量子接收機(jī)整體概念示意圖。

創(chuàng)新研究

在此項(xiàng)研究中，研究人員開創(chuàng)性地將自適應(yīng)學(xué)習(xí)框架應(yīng)用于量子接收機(jī)的自動設(shè)計中。自適應(yīng)學(xué)習(xí)賦予量子接收機(jī)一定的自適應(yīng)迭代能力，使其在任何環(huán)境里都能自主運(yùn)行，并達(dá)到盡可能優(yōu)的策略。增強(qiáng)的智能量子接收機(jī)包含有硬件、控制邏輯和設(shè)計器。其中，硬件和控制邏輯從原有的量子接收機(jī)繼承而來。

硬件可以類比成一個人的軀干，負(fù)責(zé)執(zhí)行所有的命令，實(shí)現(xiàn)基本的光學(xué)與電學(xué)操作。控制邏輯是小腦，實(shí)時運(yùn)行在內(nèi)置高速處理器（FPGA）中，負(fù)責(zé)依照設(shè)定好的參數(shù)控制硬件，解碼并記錄結(jié)果。

而運(yùn)行在外置電腦上的設(shè)計器是整個體系的大腦，負(fù)責(zé)自適應(yīng)學(xué)習(xí)。它與硬件和控制邏輯有通信，傳遞參數(shù)以及測量結(jié)果，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并階段性匯總誤碼率、誤差與噪音。與已有的量子接收機(jī)平臺不同的是，自適應(yīng)學(xué)習(xí)框架替代了原本提供設(shè)計思路的研究人員。對于需要學(xué)習(xí)解碼的信號，設(shè)計器會利用仿真層和學(xué)習(xí)模塊對控制邏輯進(jìn)行迭代，最終構(gòu)建出決策樹和相應(yīng)的解碼表。

設(shè)計器中內(nèi)嵌有噪音模型，實(shí)際應(yīng)用的各類噪音都能被考慮。在進(jìn)行學(xué)習(xí)前，設(shè)計器首先對量子接收機(jī)進(jìn)行一次綜合解析，擬合得到幾種噪音的特征參數(shù)。這些具有特征噪音是后面學(xué)習(xí)時的主要數(shù)據(jù)。

除此之外，研究人員還對量子接收機(jī)的硬件端進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)平臺移除了任何在探測器前可能造成額外損耗的分光器件。用于鎖定相位的參考光受一個高速光開關(guān)控制，在信號光到來時關(guān)閉，而在信號光間隔中進(jìn)行實(shí)時相位鎖定。這種設(shè)計使得該平臺在平穩(wěn)運(yùn)行時，對光纖通訊波段信號的整體探測效率可達(dá)85%，干涉對比度可達(dá)99.7%，綜合性能領(lǐng)先于現(xiàn)有量子接收機(jī)平臺。



圖2.弱相干光二進(jìn)制相位編解碼示意圖，以及三種量子接收機(jī)的性能比較。

研究人員通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的量子接受機(jī)在兩種含噪解碼任務(wù)中的優(yōu)勢。在解碼弱相干態(tài)二進(jìn)制相位編碼的任務(wù)中，自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的量子接受機(jī)的解碼誤碼率相比?Dolinar方案降低了14%，低于散粒噪聲極限39%。此方案可實(shí)現(xiàn)在低于2%誤碼率的同時實(shí)現(xiàn)每光子傳遞超過1比特的信息。

而在解碼六態(tài)正交振幅?調(diào)制的任務(wù)中，盡管其所需優(yōu)化的參數(shù)有幾千個，自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的量子接收機(jī)仍可在二十分鐘內(nèi)學(xué)習(xí)出最佳策略。其誤碼率相比原有方案降低了19%，低于散粒噪聲極限最高43%。這是國際上首次將量子接收機(jī)推廣至超過四個編碼態(tài)的解碼任務(wù)。



圖3.弱相干光六態(tài)正交振幅調(diào)制編解碼示意圖，以及實(shí)驗(yàn)中接收機(jī)對六種信號解碼的條件概率隨解碼進(jìn)程的演化。

研究人員表明，量子接收機(jī)適用于任何信道損耗較高或接收光強(qiáng)較低的應(yīng)用情景，例如星際通信。自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的量子接收機(jī)因其對噪音和環(huán)境的及時感知與適應(yīng)能力，與低功耗的無人深空探測平臺更為兼容。另外，在基于極弱光強(qiáng)的光學(xué)傳感中，自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的量子接收機(jī)也有一定的用武之地。該文章所討論的自適應(yīng)學(xué)習(xí)框架也可以應(yīng)用于含噪中等規(guī)模量子計算平臺中，利用前饋信息對量子計算中的錯誤和噪音加以優(yōu)化。

盡管截止目前，相關(guān)研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，但自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)量子接收機(jī)對實(shí)驗(yàn)平臺中出現(xiàn)的常見噪音展現(xiàn)出一定的適應(yīng)性。隨著對實(shí)驗(yàn)平臺多角度的優(yōu)化，以及采用更加先進(jìn)的技術(shù)和方案，我們預(yù)計自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的量子接收機(jī)未來將步入實(shí)地驗(yàn)證階段，在更加貼近實(shí)際需求的環(huán)境中體現(xiàn)出獨(dú)屬于量子信息技術(shù)的優(yōu)勢。






審核編輯：劉清