最大規(guī)模光量子芯片誕生，一枚“玻璃片”為量子計算提速

　　一個個肉眼看不見的單光子穿過透明的“玻璃片”，幾秒之后，顯示屏幕上呈現(xiàn)出單光子的二維量子行走演化結(jié)果。

　　一個量子計算過程完成，而其中最關(guān)鍵的就是這枚“玻璃片”。在燈光下，從某個角度看去，這枚完全透明的“玻璃片”上隱約閃現(xiàn)幾道光譜。原來一平方毫米的“玻璃片”范圍內(nèi)“雕刻”了幾千個光波導(dǎo)，所以就像光柵一樣呈現(xiàn)為彩色。

　　這就是上海交通大學(xué)金賢敏研究團(tuán)隊的最新研究成果—最大規(guī)模的光量子芯片。相比于傳統(tǒng)的計算機(jī)，這枚光量子芯片可以針對特定問題實(shí)現(xiàn)算力加速。以此為內(nèi)核，在絕對計算能力上有望超越傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機(jī)。

　　光量子芯片的算力到底有多大

　　光量子芯片實(shí)現(xiàn)了量子加速，比如未來可以設(shè)定一個優(yōu)化算法，經(jīng)典計算機(jī)需要100分鐘解決的話，光量子計算機(jī)只需要10分鐘，以此類推。問題越復(fù)雜，量子加速帶來的優(yōu)越性就越明顯。當(dāng)量子計算機(jī)在絕對計算能力上超越了現(xiàn)有經(jīng)典計算機(jī)的計算能力極限時， “量子霸權(quán)”就實(shí)現(xiàn)了，這是量子物理學(xué)家的孜孜不倦追求。

　　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(tuán)隊另辟蹊徑，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)了全新量子資源，對于未來模擬量子計算機(jī)的研發(fā)具有重要意義。

　　“最大規(guī)模”是此次金賢敏團(tuán)隊發(fā)布的光量子芯片的一個關(guān)鍵詞。在這枚光量子芯片里節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)49×49個，也就是2401個節(jié)點(diǎn)。正是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(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)。

　　通過飛秒激光直寫技術(shù)，研究人員可以像3D打印一樣制備可集成大規(guī)模光子線路的光量子芯片。金賢敏團(tuán)隊經(jīng)過數(shù)年的努力，從系統(tǒng)設(shè)計到參數(shù)摸索優(yōu)化，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，終于在光量子芯片的規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了超越，但實(shí)用征程仍然漫長。

　　在特定問題上超越經(jīng)典計算機(jī)

　　“在研究者的實(shí)驗(yàn)室里，從單光子的產(chǎn)生到芯片里量子態(tài)的演化，再到單光子的探測，整個過程和系統(tǒng)形成了一臺模擬量子計算機(jī)。”金賢敏說。

　　所謂“模擬量子計算機(jī)”，就是指專用量子計算機(jī)。相比于基于量子門的通用量子計算機(jī)(即數(shù)字量子計算機(jī))，它可通過構(gòu)建量子物理系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)，而不需要依賴復(fù)雜的量子糾錯，因此更加可行。作為模擬量子計算的一種重要算法內(nèi)核，二維空間中的量子行走模型，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(dāng)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(shí)現(xiàn)工程、金融、生物醫(yī)藥等各領(lǐng)域中的各種搜索、優(yōu)化問題，展現(xiàn)出遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　金賢敏對科技日報記者介紹說，基于光量子芯片中的大規(guī)模量子演化系統(tǒng)，在量子隨機(jī)行走的問題上超過了經(jīng)典隨機(jī)行走的表現(xiàn)。但是要將這種超越付諸于實(shí)際應(yīng)用，還是一個艱難和漫長的過程。

　　“我們可以期待一些原理性的應(yīng)用，比如將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)排序、搜索問題、優(yōu)化問題等映射到二維空間隨機(jī)行走的模型，目前我們正在深度挖掘。”金賢敏說，但可以肯定的是，相比于其他量子計算概念，光量子芯片由于其高集成度和高穩(wěn)定性，更易構(gòu)建足夠復(fù)雜的專用量子計算機(jī)，用于解決一些特定實(shí)際問題。

　　從全球范圍看，目前光量子芯片的研發(fā)仍然處于早期階段，需要在損耗、精度和可調(diào)控能力等各項指標(biāo)上，在材料、工藝和混合芯片構(gòu)架上，以及在與量子計算、量子通信和量子精密測量系統(tǒng)融合上開展大量研究，扎實(shí)推進(jìn)，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)，實(shí)質(zhì)性地推動新物理的探索和量子信息技術(shù)的實(shí)用化。