這一枚小小的“玻璃片”，竟能為量子計算提速

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，所以就像光柵一樣呈現(xiàn)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(guī)模的光量子芯片。相比于傳統(tǒng)的計算機，這枚光量子芯片可以針對特定問題實現(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。

光量子芯片的算力到底有多大

光量子芯片實現(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。問題越復雜，量子加速帶來的優(yōu)越性就越明顯。當量子計算機在絕對計算能力上超越了現(xiàn)有經(jīng)典計算機的計算能力極限時， “量子霸權(quán)”就實現(xiàn)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。金賢敏團隊另辟蹊徑，通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復雜度來提升量子態(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的研發(fā)具有重要意義。

“最大規(guī)模”是此次金賢敏團隊發(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)點數(shù)多達 49×49 個，也就是 2401 個節(jié)點。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驗中首次實現(xiàn)，并將促進未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實現(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，終于在光量子芯片的規(guī)模上實現(xiàn)了超越，但實用征程仍然漫長。

在特定問題上超越經(jīng)典計算機

“在研究者的實驗室里，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。”金賢敏說。

所謂“模擬量子計算機”，就是指專用量子計算機。相比于基于量子門的通用量子計算機（即數(shù)字量子計算機），它可通過構(gòu)建量子物理系統(tǒng)直接實現(xiàn)，而不需要依賴復雜的量子糾錯，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)出遠遠優(yōu)于經(jīng)典計算機的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

金賢敏對記者介紹說，基于光量子芯片中的大規(guī)模量子演化系統(tǒng)，在量子隨機行走的問題上超過了經(jīng)典隨機行走的表現(xiàn)。但是要將這種超越付諸于實際應(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)點排序、搜索問題、優(yōu)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)建足夠復雜的專用量子計算機，用于解決一些特定實際問題。

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，扎實推進，構(gòu)建尺度和復雜度上都達到全新水平的光量子系統(tǒng)，實質(zhì)性地推動新物理的探索和量子信息技術(shù)的實用化。