我國制備出最大規(guī)模光量子計算芯片

對模擬量子計算機研發(fā)意義重大

《 人民日報 》（ 2018年05月15日 12 版）

本報上海5月14日電 （記者姜泓冰）美國《科學》雜志子刊《科學—進展》日前發(fā)表了上海交通大學物理與天文學院金賢敏團隊最新研究成果。該研究報道了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。同時這也是國內(nèi)首個光量子計算芯片。這一成果對于推進模擬量子計算機研究具有重要意義。

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

這篇題為《基于光子芯片的二維量子行走實驗研究》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。實驗驗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)計算機的基礎(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現(xiàn)，而以往準二維量子行走實驗由于受限的量子演化空間，無法觀測網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實驗中成功觀測到了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進一步驗證了所實現(xiàn)的量子行走的二維特征。

過去20年里，增加絕對計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，成功將光子數(shù)從4個提高到了10個，但同時也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。金賢敏團隊另辟蹊徑，通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復雜度來提升量子態(tài)空間尺度，開發(fā)了更加可行的全新量子資源，對于未來模擬量子計算機的研發(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證，是否能真正走出實驗室、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)有望推動量子信息技術(shù)的實質(zhì)性進展。金賢敏團隊在光量子芯片的多層技術(shù)和集成上實現(xiàn)了超越，成為少有的同時具有光量子芯片制備技術(shù)和量子信息研究背景的團隊。

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)控能力等各項指標上，在材料、工藝和混合芯片構(gòu)架上，以及在與量子計算、量子通信和量子精密測量系統(tǒng)融合上開展大量研究，構(gòu)建尺度和復雜度上都達到全新水平的光量子系統(tǒng)，推動量子信息技術(shù)的實用化。