上交大團隊實現世界最大規模光量子計算晶元

5月11日Science子刊Science Advances以「Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip」為題發表了上海交通大學金賢敏研究團隊最新研究成果，報道了世界最大規模的三維集成光量子晶元，並演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。同時這也是國內首個自主實現的光量子計算晶元。

來源：知社學術圈

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這項研究進展對於推進模擬量子計算機研究、實現「量子霸權」具有重大意義。

近年來，關於通用量子計算機的新聞屢見於報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現了更高的量子比特數紀錄。但是業界共識是即使做出幾十甚至更多量子比特數，如果沒有做到全互連、精度不夠並且無法進行糾錯，通用量子計算仍然無法實現。與之相比，模擬量子計算可以直接構建量子系統，不需要像通用量子計算那樣依賴複雜量子糾錯。一旦能夠製備和控制的量子物理系統達到全新尺度，將可直接用於探索新物理和在特定問題上推進遠超經典計算機的絕對計算能力。

模擬量子計算的實力前景

模擬量子計算（analog quantum computing），相對於通用量子計算，有更平易近人的物理實現方式，而且對於玻色採樣、搜索、哈密頓量學習、化學模擬等問題上有明顯的天然對應方式和加速優勢，因此是目前量子信息發展的另一個不可或缺、至關重要的領域。谷歌公司於2017年推出的量子軟體OpenFermion便是專攻模擬量子計算。

作為模擬量子計算的一個強有力的工具，二維空間中的量子行走，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，展現出遠優於經典計算機的表現，具有廣泛的應用前景。

但是，想要將量子行走真正運用於模擬量子計算來展現量子演算法優越性，務必滿足兩點：足夠多的行走路徑，及可根據演算法需求自由設計的演化空間。以往的量子行走實驗受限於所能製備的物理體系的尺寸限制，只能做出幾小步演化的原理性演示，且從來不能在真正的空間二維體系中自由演化，遠不足以用於模擬量子計算實驗。

金賢敏研究組通過飛秒激光直寫技術製備集成化三維波導晶元，以波導走向代表連續演化時間，端面形成49×49個節點（即總共2401個節點）的超大演化空間，這樣即使是單光子注入，也能實現數以千記的量子行走路徑，實驗中量子達到至少一百多個行走步徑，突破了量子行走實驗紀錄；同時在演化過程中，光量子在波導之間的耦合強弱也可通過設計波導間距來精確調控。甚至精準波導彎曲、定量引入損耗及等調控技術也在穩步發展中。不斷純熟的集成化波導晶元技術使得量子行走向實際模擬量子計算應用大步靠近。

研究組通過製備PPKTP高亮度單光子源及發展高解析度ICCD單光子成像技術，觀察了光量子的二維行走模式。實驗驗證量子行走不論在一維還是二維演化空間中，都具有區別於經典隨機行走的彈道式傳輸特性（ballistic transport）。這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多演算法中超越經典計算機的基礎。理論曾指出瞬態網路特性（transient network）只在大於一維的量子行走中才實現，而以往准二維量子行走實驗由於受限的量子演化空間，無法觀測網路傳播特徵。該研究首次在實驗中觀測了瞬態網路特性，進一步驗證了所實現的量子行走的二維特徵。

圖：單光子的二維量子行走演化結果 從左至右：量子行走演化時間逐漸增大

超大規模光量子計算晶元來之不易

金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術製備出包含數千節點的三維光量子計算晶元，正是這種超大規模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，並促進未來更多量子演算法的實現。

圖示晶元中的二十組光子陣列里，每組都包含了2401根波導

而這些超大規模光量子計算晶元，得來實屬不易。早在2014年，金賢敏放棄獲得英國永居機會，從牛津大學毅然回到上海交通大學從零開始組建量子信息實驗室時，就把目標放准了光子晶元的研究方向，從搭建實驗室飛秒激光直寫平台到不斷摸索直寫參數，前後花了三年時間，才對每個參數對於波導各項性能的影響以及如何寫出需求中的波導性能遊刃有餘。同時花費兩年半時間搭建高亮度單光子源和發展高精度的單光子成像技術，這才使得一個個光子在晶元里二維空間量子行走的演化模式首次觀測出來。

其實，晶元化集成化已經成為量子信息技術真正邁向實用化的研究熱點和戰略性方向，在歐洲尤其是英國，已經提前布局並連續獲得突破。英國布里斯託大學Jeremy O『Brien團隊和牛津大學Ian Walmsley團隊是國際上最早開展集成化量子信息技術研究。2014年英國財政部宣布5年資助2.7億英鎊支持四個研究團隊開展量子晶元的技術研究，其中Ian Walmsley領銜的基於光量子集成晶元構架網路化量子信息技術[Networked Quantum Information Technology （NQIT）]）獲得支持。此外，歐洲為了在量子信息技術集成化研究領域上取得領先地位，歐盟支持把飛秒激光直寫與量子信息應用相結合的科學基礎研究和技術基礎研究，按照側重不同設立多個重大研究項目，包括QuChip、3DQUEST和PICQUE等，對歐洲多個研究群體進行重點資助。

目前國際上基於光子晶元做量子計算研究有三個主要團隊，一是以牛津大學、布里斯託大學（Bristol University）為主的英國量子中心Quantum Hub，二是義大利米蘭理工大學團隊，三是德國光學名校耶拿大學與以色列理工大學的德國以色列合作團隊。雖然這些團隊形成時間更早，經過努力，上海交大的金賢敏團隊仍獲得以下優勢：

首先英國團隊和義大利團隊製備光波導晶元的尺寸非常有限，通常為一維陣列且波導數目不超過50，德國以色列團隊能製備二維陣列，然而波導數目也不超過100，而金賢敏使用飛秒激光直寫技術，通過幾年的參數摸索經驗積累，可以製備每個陣列的波導數目可以高達2500且性能穩定的超大規模二維陣列。2017在牛津大學交流報告時，對方看到金賢敏團隊所展示的超大波導陣列上的量子光學實驗圖片，非常驚嘆，給出很高的評價。

金賢敏團隊另一優勢在於製備晶元的高效性。英國團隊和義大利團隊使用晶元需要多方協調：英國晶元由南安普頓大學加工，而送到牛津大學等其他大學使用，義大利晶元製備方和使用方分別在羅馬和米蘭，往往從提交任務到收到晶元需要數月。而金賢敏團隊自主製備光子晶元，不到一天的時間內就能製備總計上萬根波導的許多組陣列，科研上可以很快得到反饋。

第三個優勢在於研究量子信息的專業性。德國以色列團隊雖然早在2008年就開始製備光學晶元，但將其用於光學和傳統物理的研究，團隊沒有量子研究的基礎。金賢敏在創立團隊之前已有十幾年量子信息的研究經歷，從初建團隊就是專註於光學集成晶元在量子信息領域的應用，成為國際少有的能夠同時自主製備二維光子晶元和開展量子信息研究的獨立型團隊。

另闢蹊徑開發更加高效量子計算資源

在過去20年里，想要增加量子態演化維度，往往通過增加光子數的方式，這需要克服非常嚴峻的挑戰：每個光子的效率都是有限的，而全部光子的效率相乘，乘積則會變得更小，而且整個實驗台包括各種大大小小的透鏡波片，牽一髮則動全身，想要得到有效的結果，實驗操作難度可想而之。

而金賢敏團隊在掌握了傳統的多光子技術的同時，開發了空間二維的維度來增加絕對計算能力。這項最大規模的空間二維量子行走實驗演示，就不是通過傳統的增加光子數的方式，而是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。基於三維光學集成晶元的空間二維量子行走，耦合效率高，而且由於複雜空間演化結構都集成在晶元內，不需要調節多光子實驗中大量的透鏡波片，因而實驗台更加小巧便捷，操作也更加穩定。

這種另闢蹊徑蹊徑開發更加可行資源的方法，對於未來量子模擬計算的研究帶來很大的啟示。

量子信息時代中國科研工作者的使命

量子信息已經經歷廣泛原理性驗證，正走出實驗室，走向實用化，量子信息晶元化集成至關重要。上海交通大學團隊將不斷致力於量子信息技術晶元化和集成化研究，通過飛秒激光直寫技術構建尺度和複雜度上都達到全新水平的光量子系統，推動新物理的探索和大規模光量子模擬計算機的研究。

金賢敏表示，在20世紀40-70年代計算機技術初步發展時期，基本上只有歐美數國活躍的身影；在量子計算這新一輪科技浪潮中，中國正以積極主動、昂然向上的姿態參與到國際競爭合作中，中國不只在」墨子號」量子通信方面大揚國威，也在光子玻色採樣機、超導量子計算機、量子云等方面層層突圍，現在又在集成光學量子計算晶元和模擬量子計算方面引領新的國際前沿。中國學者不斷取得科學突破，後盾是中國國力的強大，和對國家科學技術的高度重視和大力支持。作為當代的中國科學工作者，深感幸運亦倍受激勵！

本項研究以「Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip」為題在Science Advances（《科學進展》） （Sci.Adv。， eaat3174， 2018） 上發表，通訊作者為金賢敏特別研究員，第一作者為助理研究員唐豪博士，其他作者還包括林曉峰博士和博士生馮振、高俊等。本項目受到國家重點研發計劃（2017YFA0303700），國家自然科學基金（61734005、11761141014、11690033及11374211），上海市教育委員會創新項目 （14ZZ020）， 上海科委（15QA1402200）， 國防科技大學高性能計算國家重點實驗室（201511-01）、青年千人計劃以及上海交大致遠學院的大力支持。

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