最大規模光量子晶元誕生，一枚「玻璃片」為量子計算提速

李 俊 科技日報記者 王 春

5月15日，金賢敏教授展示製備的晶元。新華社記者 丁汀攝

一個個肉眼看不見的單光子穿過透明的「玻璃片」，幾秒之後，顯示屏幕上呈現出單光子的二維量子行走演化結果。

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

這就是上海交通大學金賢敏研究團隊的最新研究成果——最大規模的光量子晶元。相比於傳統的計算機，這枚光量子晶元可以針對特定問題實現算力加速。以此為內核，在絕對計算能力上有望超越傳統的經典計算機。

光量子晶元的算力到底有多大

光量子晶元實現了量子加速，比如未來可以設定一個優化演算法，經典計算機需要100分鐘解決的話，光量子計算機只需要10分鐘，以此類推。問題越複雜，量子加速帶來的優越性就越明顯。當量子計算機在絕對計算能力上超越了現有經典計算機的計算能力極限時， 「量子霸權」就實現了，這是量子物理學家的孜孜不倦追求。

過去20年里，增加絕對計算能力的方式通常是製備更多光子數的量子糾纏。中國一直在這方面保持優勢，成功將光子數從4個提高到了10個，但同時也發現增加光子數異常艱難。金賢敏團隊另闢蹊徑，通過增加量子演化系統的物理維度和複雜度來提升量子態空間尺度，開發了全新量子資源，對於未來模擬量子計算機的研發具有重要意義。

「最大規模」是此次金賢敏團隊發布的光量子晶元的一個關鍵詞。在這枚光量子晶元里節點數多達49×49個，也就是2401個節點。正是這種目前世界最大規模的光量子計算晶元，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，並將促進未來更多以量子行走為內核的量子演算法的實現。

通過飛秒激光直寫技術，研究人員可以像3D列印一樣製備可集成大規模光子線路的光量子晶元。金賢敏團隊經過數年的努力，從系統設計到參數摸索優化，不斷積累經驗，終於在光量子晶元的規模上實現了超越，但實用征程仍然漫長。

在特定問題上超越經典計算機

「在研究者的實驗室里，從單光子的產生到晶元里量子態的演化，再到單光子的探測，整個過程和系統形成了一台模擬量子計算機。」金賢敏說。

所謂「模擬量子計算機」，就是指專用量子計算機。相比於基於量子門的通用量子計算機（即數字量子計算機），它可通過構建量子物理系統直接實現，而不需要依賴複雜的量子糾錯，因此更加可行。作為模擬量子計算的一種重要演算法內核，二維空間中的量子行走模型，能夠將特定計算任務對應到量子演化空間中的相互耦合係數矩陣中，當量子演化體系能夠製備得足夠大並且能靈活設計結構時，可以用來實現工程、金融、生物醫藥等各領域中的各種搜索、優化問題，展現出遠遠優於經典計算機的表現，具有廣泛的應用前景。

金賢敏對科技日報記者介紹說，基於光量子晶元中的大規模量子演化系統，在量子隨機行走的問題上超過了經典隨機行走的表現。但是要將這種超越付諸於實際應用，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用，比如將網路節點排序、搜索問題、優化問題等映射到二維空間隨機行走的模型，目前我們正在深度挖掘。」金賢敏說，但可以肯定的是，相比於其他量子計算概念，光量子晶元由於其高集成度和高穩定性，更易構建足夠複雜的專用量子計算機，用於解決一些特定實際問題。

從全球範圍看，目前光量子晶元的研發仍然處於早期階段，需要在損耗、精度和可調控能力等各項指標上，在材料、工藝和混合晶元構架上，以及在與量子計算、量子通信和量子精密測量系統融合上開展大量研究，紮實推進，構建尺度和複雜度上都達到全新水平的光量子系統，實質性地推動新物理的探索和量子信息技術的實用化。

來源：科技日報

編輯：左常睿

審核：管晶晶

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