上海交大團隊實現全球最大規模光量子計算晶片

繼近日阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布成功研製出當前世界最強的量子電路模擬器太章之後，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物理與天文學院金賢敏研究團隊最新研究成果，報導了世界最大規模的三維集成光量子晶片，並演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。

同時，這也是國內首個光量子計算晶片。

這項研究進展對於推進模擬量子計算機研究具有重要意義。

量子計算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實驗室的P. Benioff於80年代初期提出，他提出二能階的量子系統可以用來仿真數字計算；稍後費曼也對這個問題產生興趣而著手研究，並在1981年於麻省理工學院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現象實現計算的願景。

費曼認為自然界本質上是遵循量子力學的，只有用遵循量子力學的裝置，才能更好地模擬它，這個力學裝置就是量子模擬器。

目前量子模擬器研究中，人們更多關注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個量子模擬器所操控的量子比特數越多，它的運算能力就越強。

2011年5月11日，加拿大量子計算公司D-Wave於正式發布了全球第一款商用型量子計算機「D-Wave One」。

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與傳統計算機不同，量子計算是使用量子比特來存儲數據，並且量子不像半導體只能記錄0與1而是可以同時表示多種狀態，量子計算的優勢在於，一個40位的量子計算機能在很短時間內解開1024位計算機花數十年才能解決的問題。

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。

作為模擬量子計算的一個強大算法內核，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，可以用來實現許多算法和計算任務，展現出遠優於經典計算機的表現。

金賢敏團隊通過飛秒雷射直寫技術製備了節點數多達49×49的三維光量子計算晶片，正是這種目前世界最大規模的光量子計算晶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，並將促進未來更多以量子行走為內核的量子算法的實現。

研究組通過發展高亮度單光子源和高時空分辨的單光子成像技術，直接觀察了光量子的二維行走模式輸出結果。

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算法中超越經典計算機的基礎。

理論曾指出瞬態網絡特性（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，無法觀測網絡傳播特徵。

該研究首次在實驗中成功觀測到了瞬態網絡特性，進一步驗證了所實現的量子行走的二維特徵。

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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，開發了更加可行的全新量子資源，對於未來模擬量子計算機的研發具有重要意義。

量子信息技術已經經歷了廣泛的原理性驗證，是否能真正走出實驗室，走向實用化和產業化，取決於我們是否能夠構建和操控足夠大規模的量子系統。

宏觀光學系統中的損耗、穩定性和操控精度等看似技術性問題已變成邁向規模化的瓶頸性難題。

發展的光量子集成晶片技術是攻克可擴展性難題有前景的途徑，有望有力推動量子信息技術的實質性進展。

金賢敏2010年起在牛津大學Ian Walmsley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），學習掌握了光量子集成先進技術併合作完成了片上玻色採樣量子計算、片上量子隱形傳態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驗室」並成為國內最早開展飛秒雷射直寫光量子晶片研究的單位之一。

經過數年的艱辛努力，終於在光量子晶片的多層技術和集成上實現了超越，成為少有的同時具有光量子晶片製備技術和量子信息研究背景的團隊。

必須指出的是，光量子晶片的研發仍然處於早期階段，仍然需要在損耗、精度和可調控能力等各項指標上，在材料、工藝和混合晶片構架上，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。

金賢敏表示基於光量子晶片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，比如將網絡節點排序、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。

但可以肯定的是，相比於其他量子計算概念，光量子晶片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。

該研究得到上海市科委重大項目和國家自然科學基金重點項目的支持，以及中組部青年千人計劃、國家重點研發計劃、上海市教委，國防科技大學高性能計算國家重點實驗室和上海交大致遠學院、物理與天文學院的支持。

論文連結：http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaat3174