近日,《Science》子刊《Science Advances》以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”为题发表了上海交通大学金贤敏研究团队最新研究成果,报道了世界最大规模的三维集成光量子芯片。一个个肉眼看不见的单光子穿过透明的“玻璃片”,几秒之后,显示屏幕上呈现出单光子的二维量子行走演化结果。

这是首个真正空间二维的随机行走量子计算,同时也是国内首个自主实现的光量子计算芯片。这项研究进展对于推进模拟量子计算机研究、实现“量子霸权”具有重大意义。 20180517-quantum-1 金贤敏教授展示制备芯片中的二十组光子阵列里,每组都包含了2401根波导(Source:新华社)

一个量子计算过程完成,而其中最关键的就是这枚“玻璃片”。在灯光下,从某个角度看去,这枚完全透明的“玻璃片”上隐约闪现几道光谱。原来一平方毫米的“玻璃片”范围内“雕刻”了几千个光波导,所以就像光栅一样呈现为彩色。

相比于传统的计算机,这枚光量子芯片可以针对特定问题实现算力加速。以此为内核,在绝对计算能力上有望超越传统的经典计算机。 20180517-quantum-3 5月15日,在上海交通大学,金贤敏教授(右二)在实验室指导学生熟悉光量子芯片制备的要点。(Source:新华社)

光量子芯片的算力到底有多大

光量子芯片实现了量子加速,比如未来可以设定一个优化算法,经典计算机需要100分钟解决的话,光量子计算机只需要10分钟,以此类推。问题越复杂,量子加速带来的优越性就越明显。当量子计算机在绝对计算能力上超越了现有经典计算机的计算能力极限时, “量子霸权”就实现了,这是量子物理学家的孜孜不倦追求。

过去20年里,增加绝对计算能力的方式通常是制备更多光子数的量子纠缠。中国一直在这方面保持优势,成功将光子数从4个提高到了10个,但同时也发现增加光子数异常艰难。金贤敏团队另辟蹊径,通过增加量子演化系统的物理维度和复杂度来提升量子态空间尺度,开发了全新量子资源,对于未来模拟量子计算机的研发具有重要意义。

“最大规模”是此次金贤敏团队发布的光量子芯片的一个关键词。在这枚光量子芯片里节点数多达49×49个,也就是2401个节点的超大演化空间,这样即使是单光子注入,也能实现数以千记的量子行走路径,实验中量子达到至少一百多个行走步径,突破了量子行走实验纪录。正是这种目前世界最大规模的光量子计算芯片,使得真正空间二维自由演化的量子行走得以在实验中首次实现,并将促进未来更多以量子行走为内核的量子算法的实现。

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。甚至精准波导弯曲、定量引入损耗及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得量子行走向实际模拟量子计算应用大步靠近。

通过飞秒激光直写技术,研究人员可以像3D打印一样制备可集成大规模光子线路的光量子芯片。金贤敏团队经过数年的努力,从系统设计到参数摸索优化,不断积累经验,终于在光量子芯片的规模上实现了超越,但实用征程仍然漫长。 20180517-quantum-2 金贤敏团队展示通过“飞秒激光直写”技术制备光量子计算芯片的过程。(Source:新华社)

在特定的问题上超越经典计算机

“在研究者的实验室里,从单光子的产生到芯片里量子态的演化,再到单光子的探测,整个过程和系统形成了一台模拟量子计算机。”金贤敏说。 20180517-quantum-4 金贤敏教授讲解“飞秒激光直写”光量子芯片平台的编程操作。(Source:新华社)

所谓“模拟量子计算机”,就是指专用量子计算机。相比于基于量子门的通用量子计算机(即数字量子计算机),它可通过构建量子物理系统直接实现,而不需要依赖复杂的量子纠错,因此更加可行。作为模拟量子计算的一种重要算法内核,二维空间中的量子行走模型,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、生物医药等各领域中的各种搜索、优化问题,展现出远远优于经典计算机的表现,具有广泛的应用前景。

金贤敏对记者介绍说,基于光量子芯片中的大规模量子演化系统,在量子随机行走的问题上超过了经典随机行走的表现。但是要将这种超越付诸于实际应用,还是一个艰难和漫长的过程。

“我们可以期待一些原理性的应用,比如将网络节点排序、搜索问题、优化问题等映射到二维空间随机行走的模型,目前我们正在深度挖掘。”金贤敏说,但可以肯定的是,相比于其他量子计算概念,光量子芯片由于其高集成度和高稳定性,更易构建足够复杂的专用量子计算机,用于解决一些特定实际问题。

模拟量子计算的实力前景

近年来,关于通用量子计算机的新闻屡见于报端,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。但是业界共识是即使做出几十甚至更多量子比特数,如果没有做到全互连、精度不够并且无法进行纠错,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。

模拟量子计算(analog quantum computing),相对于通用量子计算,有更平易近人的物理实现方式,而且对于玻色采样、搜索、哈密顿量学习、化学模拟等问题上有明显的天然对应方式和加速优势,因此是目前量子信息发展的另一个不可或缺、至关重要的领域。谷歌公司于2017年推出的量子软件OpenFermion便是专攻模拟量子计算。

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、生物医药等各领域中的各种搜索、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,及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限制,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。

金贤敏团队通过制备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(ballistic transport)。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。理论曾指出瞬态网络特性(transient network)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。 20180517-quantum-5 图:单光子的二维量子行走演化结果。从左至右:量子行走演化时间逐渐增大

超大规模光量子计算芯片来之不易

从全球范围看,目前光量子芯片的研发仍然处于早期阶段,需要在损耗、精度和可调控能力等各项指标上,在材料、工艺和混合芯片构架上,以及在与量子计算、量子通信和量子精密测量系统融合上开展大量研究,扎实推进,构建尺度和复杂度上都达到全新水平的光量子系统,实质性地推动新物理的探索和量子信息技术的实用化。

这些超大规模光量子计算芯片,得来实属不易。早在2014年,金贤敏放弃获得英国永居机会,从牛津大学毅然回到上海交通大学从零开始组建量子信息实验室时,就把目标放准了光子芯片的研究方向,从搭建实验室飞秒激光直写平台到不断摸索直写参数,前后花了三年时间,才对每个参数对于波导各项性能的影响以及如何写出需求中的波导性能游刃有余。同时花费两年半时间搭建高亮度单光子源和发展高精度的单光子成像技术,这才使得一个个光子在芯片里二维空间量子行走的演化模式首次观测出来。 20180517-quantum-6 金贤敏教授在观察制备的芯片。(Source:新华社)

其实,芯片化集成化已经成为量子信息技术真正迈向实用化的研究热点和战略性方向,在欧洲尤其是英国,已经提前布局并连续获得突破。英国布里斯托大学Jeremy O‘Brien团队和牛津大学Ian Walmsley团队是国际上最早开展集成化量子信息技术研究。2014年英国财政部宣布5年资助2.7亿英镑支持四个研究团队开展量子芯片的技术研究,其中Ian Walmsley领衔的基于光量子集成芯片构架网络化量子信息技术[Networked Quantum Information Technology (NQIT)])获得支持。此外,欧洲为了在量子信息技术集成化研究领域上取得领先地位,欧盟支持把飞秒激光直写与量子信息应用相结合的科学基础研究和技术基础研究,按照侧重不同设立多个重大研究项目,包括QuChip、3DQUEST和PICQUE等,对欧洲多个研究群体进行重点资助。

目前国际上基于光子芯片做量子计算研究有三个主要团队,一是以牛津大学、布里斯托大学(Bristol University)为主的英国量子中心Quantum Hub,二是意大利米兰理工大学团队,三是德国光学名校耶拿大学与以色列理工大学的德国以色列合作团队。虽然这些团队形成时间更早,经过努力,上海交大的金贤敏团队仍获得以下优势:

首先英国团队和意大利团队制备光波导芯片的尺寸非常有限,通常为一维阵列且波导数目不超过50,德国以色列团队能制备二维阵列,然而波导数目也不超过100,而金贤敏使用飞秒激光直写技术,通过几年的参数摸索经验积累,可以制备每个阵列的波导数目可以高达2500且性能稳定的超大规模二维阵列。2017在牛津大学交流报告时,对方看到金贤敏团队所展示的超大波导阵列上的量子光学实验图片,非常惊叹,给出很高的评价。

金贤敏团队另一优势在于制备芯片的高效性。英国团队和意大利团队使用芯片需要多方协调:英国芯片由南安普顿大学加工,而送到牛津大学等其他大学使用,意大利芯片制备方和使用方分别在罗马和米兰,往往从提交任务到收到芯片需要数月。而金贤敏团队自主制备光子芯片,不到一天的时间内就能制备总计上万根波导的许多组阵列,科研上可以很快得到反馈。

第三个优势在于研究量子信息的专业性。德国以色列团队虽然早在2008年就开始制备光学芯片,但将其用于光学和传统物理的研究,团队没有量子研究的基础。金贤敏在创立团队之前已有十几年量子信息的研究经历,从初建团队就是专注于光学集成芯片在量子信息领域的应用,成为国际少有的能够同时自主制备二维光子芯片和开展量子信息研究的独立型团队。

本文综合自知社学术圈、科技日报、新华网报道

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