上海5月14日電 (記者 許婧)上海交通大學(xué)14日披露，該校物理與天文學(xué)院金賢敏研究團(tuán)隊(duì)制備出世界最大規(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)這也是中國首個(gè)光量子計(jì)算芯片。
學(xué)界認(rèn)為這項(xiàng)研究進(jìn)展對推進(jìn)模擬量子計(jì)算機(jī)研究具有重要意義，這一最新研究成果5月11日發(fā)表在《Science》子刊《Science Advances》上。
第一作者唐豪博士手持的光量子芯片中有數(shù)萬個(gè)光子線路，因周期性排列體現(xiàn)出光柵效應(yīng)而變得可見。 上海交大供圖。
近年來，關(guān)于通用量子計(jì)算機(jī)的新聞屢見于報(bào)端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實(shí)現(xiàn)了更高的量子比特?cái)?shù)紀(jì)錄。但是業(yè)界共識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)算仍然無法實(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)，不需要像通用量子計(jì)算那樣依賴復(fù)雜量子糾錯(cuò)。一旦能夠制備和控制的量子物理系統(tǒng)達(dá)到全新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進(jìn)遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的絕對計(jì)算能力。
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，正是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)。
該研究首次在實(shí)驗(yàn)中成功觀測到了瞬態(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，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，對于未來模擬量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)具有重要意義。
單光子的二維量子行走演化結(jié)果，從左至右：量子行走演化時(shí)間逐漸增大。 上海交大供圖。
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，取決于是否能夠構(gòu)建和操控足夠大規(guī)模的量子系統(tǒng)。宏觀光學(xué)系統(tǒng)中的損耗、穩(wěn)定性和操控精度等看似技術(shù)性問題已變成邁向規(guī)模化的瓶頸性難題。發(fā)展的光量子集成芯片技術(shù)是攻克可擴(kuò)展性難題有前景的途徑，有望有力推動量子信息技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
金賢敏2010年起在牛津大學(xué)IanWalmsley研究組工作(國際上最早開展光量子信息集成化研究也是最頂尖的小組之一)，學(xué)習(xí)掌握了光量子集成先進(jìn)技術(shù)并合作完成了片上玻色采樣量子計(jì)算、片上量子隱形傳態(tài)和片上三光子干涉等一系列研究工作。2014年全職回國組建了“光子集成與量子信息實(shí)驗(yàn)室”并成為中國最早開展飛秒激光直寫光量子芯片研究的單位之一。經(jīng)過數(shù)年的艱辛努力，終于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)。
不過，據(jù)介紹，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。
