美國《科學》雜志子刊《科學—進展》日前發(fā)表了上海交通大學物理與天文學院金賢敏團隊最新研究成果。該研究報道了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并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(nèi)首個光量子計算芯片。這一成果對于推進模擬量子計算機研究具有重要意義。

近年來，關于通用量子計算機的新聞屢見報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現(xiàn)了更高的量子比特數(shù)紀錄。但業(yè)界共識是，即使做出幾十甚至更多量子比特數(shù)，如果沒有做到全互連、精度不夠并且無法進行糾錯，通用量子計算仍難以實現(xiàn)。與之相比，模擬量子計算可以直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，無需依賴復雜量子糾錯。作為模擬量子計算的一個強大算法內(nèi)核，二維空間中的量子行走，能夠?qū)⑻囟ㄓ嬎闳蝿諏搅孔友莼臻g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計結(jié)構(gòu)時，可以用來實現(xiàn)許多算法和計算任務，展現(xiàn)出遠優(yōu)于傳統(tǒng)計算機的表現(xiàn)。上海交大金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術制備了節(jié)點數(shù)多達49×49的三維光量子計算芯片。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)。

這篇題為《基于光子芯片的二維量子行走實驗研究》的論文顯示，研究人員通過發(fā)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(jié)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(qū)別于經(jīng)典隨機行走的彈道式傳輸特性。這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越傳統(tǒng)計算機的基礎。曾有理論指出瞬態(tài)網(wǎng)絡特性只在大于一維的量子行走中才能實現(xiàn)，而以往準二維量子行走實驗由于受限的量子演化空間，無法觀測網(wǎng)絡傳播特征。該研究首次在實驗中成功觀測到了瞬態(tài)網(wǎng)絡特性，進一步驗證了所實現(xiàn)的量子行走的二維特征。

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)了更加可行的全新量子資源，對于未來模擬量子計算機的研發(fā)具有重要意義。

量子信息技術已經(jīng)經(jīng)歷了廣泛的原理性驗證，是否能真正走出實驗室、走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，取決于我們是否能夠構(gòu)建和操控足夠大規(guī)模的量子系統(tǒng)，發(fā)展的光量子集成芯片技術有望推動量子信息技術的實質(zhì)性進展。金賢敏團隊在光量子芯片的多層技術和集成上實現(xiàn)了超越，成為少有的同時具有光量子芯片制備技術和量子信息研究背景的團隊。

目前，光量子芯片的研發(fā)仍然處于早期階段，仍然需要在損耗、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，構(gòu)建尺度和復雜度上都達到全新水平的光量子系統(tǒng)，推動量子信息技術的實用化。