国内首个自主实现的光量子计算芯片

2018-07-03

张江科技评论 2018年3期

性能远优于经典计算机

●创新点

近年来，关于通用量子计算机的新闻屡见报端，IBM、谷歌、英特尔等公司争相宣告实现了更高的量子比特数纪录。但是，即使做出几十甚至更多量子比特数，如果不能全互连、精度不够或无法进行纠错，通用量子计算仍然无法实现。与之相比，模拟量子计算可以直接构建量子系统，不需要像通用量子计算那样依赖复杂量子纠错。一旦能够制备和控制的量子物理系统达到全新尺度，将可直接用于探索新物理和在特定问题上推进远超经典计算机的绝对计算能力。作为模拟量子计算的一个强有力的工具，二维空间中的量子行走，能够将特定计算任务对应到量子演化空间中的相互耦合系数矩阵中，当量子演化体系能够制备得足够大并且能灵活设计结构时，可以用来实现工程、金融、生物医药等多领域中的各种搜索、优化问题，展现出远优于经典计算机的表现，具有广泛的应用前景。

但是，想要将量子行走真正运用于模拟量子计算来展现量子算法优越性，务必满足两点：足够多的行走路径和可根据算法需求自由设计的演化空间。以往的量子行走实验受限于所能制备的物理体系的尺寸，只能做出几小步演化的原理性演示，且从来不能在真正的空间二维体系中自由演化，远不足以用于模拟量子计算实验。近日，上海交通大学的研究团队研制了世界最大规模的三维集成光量子芯片，并演示了首个真正空间二维的随机行走量子计算，这也是国内首个自主实现的光量子计算芯片。

●方法和结果

研究人员通过飞秒激光直写技术制备集成化三维波导芯片，以波导走向代表连续演化时间，端面形成49×49个节点（总共2 401个节点）的超大演化空间，这样即使是单光子注入，也能实现数以千计的量子行走路径，实验中量子达到一百多个行走步径，突破了量子行走实验纪录；同时在演化过程中，光量子在波导之间的耦合强弱也可通过设计波导间距来精确调控。此外，精准波导弯曲、定量引入损耗等调控技术也在稳步发展中。不断纯熟的集成化波导芯片技术使量子行走向实际模拟量子计算应用大步靠近。

研究组通过制备PPKTP高亮度单光子源及发展高分辨率ICCD单光子成像技术，观察了光量子的二维行走模式。实验验证量子行走不论在一维还是二维演化空间中，都具有区别于经典随机行走的弹道式传输特性。这种加速传输正是支持量子行走能够在许多算法中超越经典计算机的基础。理论指出瞬态网络特性只在大于一维的量子行走中才实现，而以往准二维量子行走实验由于受限的量子演化空间，无法观测网络传播特征。该研究首次在实验中观测了瞬态网络特性，进一步验证了所实现的量子行走的二维特征。