我國制備出最大規(guī)模光量子計(jì)算芯片

 美國《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)—進(jìn)展》日前發(fā)表了上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院金賢敏團(tuán)隊(duì)最新研究成果。該研究報(bào)道了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個(gè)真正空間二維的隨機(jī)行走量子計(jì)算。同時(shí)這也是國內(nèi)首個(gè)光量子計(jì)算芯片。這一成果對(duì)于推進(jìn)模擬量子計(jì)算機(jī)研究具有重要意義。

近年來，關(guān)于通用量子計(jì)算機(jī)的新聞屢見報(bào)端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭(zhēng)相宣告實(shí)現(xiàn)了更高的量子比特?cái)?shù)紀(jì)錄。但業(yè)界共識(shí)是，即使做出幾十甚至更多量子比特?cái)?shù)，如果沒有做到全互連、精度不夠并且無法進(jìn)行糾錯(cuò)，通用量子計(jì)算仍難以實(shí)現(xiàn)。與之相比，模擬量子計(jì)算可以直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，無需依賴復(fù)雜量子糾錯(cuò)。作為模擬量子計(jì)算的一個(gè)強(qiáng)大算法內(nèi)核，二維空間中的量子行走，能夠?qū)⑻囟ㄓ?jì)算任務(wù)對(duì)應(yīng)到量子演化空間中的相互耦合系數(shù)矩陣中。當(dāng)量子演化體系能夠制備得足夠大并且能靈活設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以用來實(shí)現(xiàn)許多算法和計(jì)算任務(wù)，展現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)。上海交大金賢敏團(tuán)隊(duì)通過飛秒激光直寫技術(shù)制備了節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)49×49的三維光量子計(jì)算芯片。這種目前世界最大規(guī)模的光量子計(jì)算芯片，使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)，并將促進(jìn)未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實(shí)現(xiàn)。

這篇題為《基于光子芯片的二維量子行走實(shí)驗(yàn)研究》的論文顯示，研究人員通過發(fā)展高亮度單光子源和高時(shí)空分辨的單光子成像技術(shù)，直接觀察了光量子的二維行走模式輸出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子行走不論在一維還是二維演化空間中，都具有區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)行走的彈道式傳輸特性。這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。曾有理論指出瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性只在大于一維的量子行走中才能實(shí)現(xiàn)，而以往準(zhǔn)二維量子行走實(shí)驗(yàn)由于受限的量子演化空間，無法觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實(shí)驗(yàn)中成功觀測(cè)到了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進(jìn)一步驗(yàn)證了所實(shí)現(xiàn)的量子行走的二維特征。

過去20年里，增加絕對(duì)計(jì)算能力的方式通常是制備更多光子數(shù)的量子糾纏。中國一直在這方面保持優(yōu)勢(shì)，成功將光子數(shù)從4個(gè)提高到了10個(gè)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。金賢敏團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復(fù)雜度來提升量子態(tài)空間尺度，開發(fā)了更加可行的全新量子資源，對(duì)于未來模擬量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)具有重要意義。

量子信息技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了廣泛的原理性驗(yàn)證，是否能真正走出實(shí)驗(yàn)室、走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，取決于我們是否能夠構(gòu)建和操控足夠大規(guī)模的量子系統(tǒng)，發(fā)展的光量子集成芯片技術(shù)有望推動(dòng)量子信息技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。金賢敏團(tuán)隊(duì)在光量子芯片的多層技術(shù)和集成上實(shí)現(xiàn)了超越，成為少有的同時(shí)具有光量子芯片制備技術(shù)和量子信息研究背景的團(tuán)隊(duì)。

目前，光量子芯片的研發(fā)仍然處于早期階段，仍然需要在損耗、精度和可調(diào)控能力等各項(xiàng)指標(biāo)上，在材料、工藝和混合芯片構(gòu)架上，以及在與量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量系統(tǒng)融合上開展大量研究，構(gòu)建尺度和復(fù)雜度上都達(dá)到全新水平的光量子系統(tǒng)，推動(dòng)量子信息技術(shù)的實(shí)用化。