簡 介

5月11日Science子刊Science Advances以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”為題發(fā)表了上海交通大學(xué)金賢敏研究團(tuán)隊最新研究成果，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(jī)行走量子計算。同時這也是國內(nèi)首個自主實(shí)現(xiàn)的光量子計算芯片。這項研究進(jìn)展對于推進(jìn)模擬量子計算機(jī)研究、實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”具有重大意義。

近年來，關(guān)于通用量子計算機(jī)的新聞屢見于報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實(shí)現(xiàn)了更高的量子比特數(shù)紀(jì)錄。但是業(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(jìn)行糾錯，通用量子計算仍然無法實(shí)現(xiàn)。與之相比，模擬量子計算可以直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，不需要像通用量子計算那樣依賴復(fù)雜量子糾錯。一旦能夠制備和控制的量子物理系統(tǒng)達(dá)到全新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進(jìn)遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機(jī)的絕對計算能力。

模擬量子計算的實(shí)力前景

模擬量子計算(analog quantum computing)，相對于通用量子計算，有更平易近人的物理實(shí)現(xiàn)方式，而且對于玻色采樣、搜索、哈密頓量學(xué)習(xí)、化學(xué)模擬等問題上有明顯的天然對應(yīng)方式和加速優(yōu)勢，因此是目前量子信息發(fā)展的另一個不可或缺、至關(guān)重要的領(lǐng)域。谷歌公司于2017年推出的量子軟件OpenFermion便是專攻模擬量子計算。

作為模擬量子計算的一個強(qiáng)有力的工具，二維空間中的量子行走，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(dāng)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(shí)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(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

但是，想要將量子行走真正運(yùn)用于模擬量子計算來展現(xiàn)量子算法優(yōu)越性，務(wù)必滿足兩點(diǎn)：足夠多的行走路徑，及可根據(jù)算法需求自由設(shè)計的演化空間。以往的量子行走實(shí)驗受限于所能制備的物理體系的尺寸限制，只能做出幾小步演化的原理性演示，且從來不能在真正的空間二維體系中自由演化，遠(yuǎn)不足以用于模擬量子計算實(shí)驗。

金賢敏研究組通過飛秒激光直寫技術(shù)制備集成化三維波導(dǎo)芯片，以波導(dǎo)走向代表連續(xù)演化時間，端面形成49×49個節(jié)點(diǎn)（即總共2401個節(jié)點(diǎn)）的超大演化空間，這樣即使是單光子注入，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)以千記的量子行走路徑，實(shí)驗中量子達(dá)到至少一百多個行走步徑，突破了量子行走實(shí)驗紀(jì)錄；同時在演化過程中，光量子在波導(dǎo)之間的耦合強(qiáng)弱也可通過設(shè)計波導(dǎo)間距來精確調(diào)控。甚至精準(zhǔn)波導(dǎo)彎曲、定量引入損耗及等調(diào)控技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展中。不斷純熟的集成化波導(dǎo)芯片技術(shù)使得量子行走向?qū)嶋H模擬量子計算應(yīng)用大步靠近。

研究組通過制備PPKTP高亮度單光子源及發(fā)展高分辨率ICCD單光子成像技術(shù)，觀察了光量子的二維行走模式。實(shí)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(jī)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(jīng)典計算機(jī)的基礎(chǔ)。理論曾指出瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性（transient network）只在大于一維的量子行走中才實(shí)現(xiàn)，而以往準(zhǔn)二維量子行走實(shí)驗由于受限的量子演化空間，無法觀測網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實(shí)驗中觀測了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進(jìn)一步驗證了所實(shí)現(xiàn)的量子行走的二維特征。

圖：單光子的二維量子行走演化結(jié)果

從左至右：量子行走演化時間逐漸增大

超大規(guī)模光量子計算芯片來之不易

金賢敏團(tuán)隊通過飛秒激光直寫技術(shù)制備出包含數(shù)千節(jié)點(diǎn)的三維光量子計算芯片，正是這種超大規(guī)模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(shí)驗中首次實(shí)現(xiàn)，并促進(jìn)未來更多量子算法的實(shí)現(xiàn)。

圖示芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了2401根波導(dǎo)

而這些超大規(guī)模光量子計算芯片，得來實(shí)屬不易。早在2014年，金賢敏放棄獲得英國永居機(jī)會，從牛津大學(xué)毅然回到上海交通大學(xué)從零開始組建量子信息實(shí)驗室時，就把目標(biāo)放準(zhǔn)了光子芯片的研究方向，從搭建實(shí)驗室飛秒激光直寫平臺到不斷摸索直寫參數(shù)，前后花了三年時間，才對每個參數(shù)對于波導(dǎo)各項性能的影響以及如何寫出需求中的波導(dǎo)性能游刃有余。同時花費(fèi)兩年半時間搭建高亮度單光子源和發(fā)展高精度的單光子成像技術(shù)，這才使得一個個光子在芯片里二維空間量子行走的演化模式首次觀測出來。

其實(shí)，芯片化集成化已經(jīng)成為量子信息技術(shù)真正邁向?qū)嵱没难芯繜狳c(diǎn)和戰(zhàn)略性方向，在歐洲尤其是英國，已經(jīng)提前布局并連續(xù)獲得突破。英國布里斯托大學(xué)Jeremy O'Brien團(tuán)隊和牛津大學(xué)Ian Walmsley團(tuán)隊是國際上最早開展集成化量子信息技術(shù)研究。2014年英國財政部宣布5年資助2.7億英鎊支持四個研究團(tuán)隊開展量子芯片的技術(shù)研究，其中Ian Walmsley領(lǐng)銜的基于光量子集成芯片構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)化量子信息技術(shù)[Networked Quantum Information Technology (NQIT)]）獲得支持。此外，歐洲為了在量子信息技術(shù)集成化研究領(lǐng)域上取得領(lǐng)先地位，歐盟支持把飛秒激光直寫與量子信息應(yīng)用相結(jié)合的科學(xué)基礎(chǔ)研究和技術(shù)基礎(chǔ)研究，按照側(cè)重不同設(shè)立多個重大研究項目，包括QuChip、3DQUEST和PICQUE等，對歐洲多個研究群體進(jìn)行重點(diǎn)資助。

目前國際上基于光子芯片做量子計算研究有三個主要團(tuán)隊，一是以牛津大學(xué)、布里斯托大學(xué)(Bristol University)為主的英國量子中心Quantum Hub，二是意大利米蘭理工大學(xué)團(tuán)隊，三是德國光學(xué)名校耶拿大學(xué)與以色列理工大學(xué)的德國以色列合作團(tuán)隊。雖然這些團(tuán)隊形成時間更早，經(jīng)過努力，上海交大的金賢敏團(tuán)隊仍獲得以下優(yōu)勢：

首先英國團(tuán)隊和意大利團(tuán)隊制備光波導(dǎo)芯片的尺寸非常有限，通常為一維陣列且波導(dǎo)數(shù)目不超過50，德國以色列團(tuán)隊能制備二維陣列，然而波導(dǎo)數(shù)目也不超過100，而金賢敏使用飛秒激光直寫技術(shù)，通過幾年的參數(shù)摸索經(jīng)驗積累，可以制備每個陣列的波導(dǎo)數(shù)目可以高達(dá)2500且性能穩(wěn)定的超大規(guī)模二維陣列。2017在牛津大學(xué)交流報告時，對方看到金賢敏團(tuán)隊所展示的超大波導(dǎo)陣列上的量子光學(xué)實(shí)驗圖片，非常驚嘆，給出很高的評價。

金賢敏團(tuán)隊另一優(yōu)勢在于制備芯片的高效性。英國團(tuán)隊和意大利團(tuán)隊使用芯片需要多方協(xié)調(diào)：英國芯片由南安普頓大學(xué)加工，而送到牛津大學(xué)等其他大學(xué)使用，意大利芯片制備方和使用方分別在羅馬和米蘭，往往從提交任務(wù)到收到芯片需要數(shù)月。而金賢敏團(tuán)隊自主制備光子芯片，不到一天的時間內(nèi)就能制備總計上萬根波導(dǎo)的許多組陣列，科研上可以很快得到反饋。

第三個優(yōu)勢在于研究量子信息的專業(yè)性。德國以色列團(tuán)隊雖然早在2008年就開始制備光學(xué)芯片，但將其用于光學(xué)和傳統(tǒng)物理的研究，團(tuán)隊沒有量子研究的基礎(chǔ)。金賢敏在創(chuàng)立團(tuán)隊之前已有十幾年量子信息的研究經(jīng)歷，從初建團(tuán)隊就是專注于光學(xué)集成芯片在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用，成為國際少有的能夠同時自主制備二維光子芯片和開展量子信息研究的獨(dú)立型團(tuán)隊。

另辟蹊徑開發(fā)更加高效量子計算資源

在過去20年里，想要增加量子態(tài)演化維度，往往通過增加光子數(shù)的方式，這需要克服非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：每個光子的效率都是有限的，而全部光子的效率相乘，乘積則會變得更小，而且整個實(shí)驗臺包括各種大大小小的透鏡波片，牽一發(fā)則動全身，想要得到有效的結(jié)果，實(shí)驗操作難度可想而之。

而金賢敏團(tuán)隊在掌握了傳統(tǒng)的多光子技術(shù)的同時，開發(fā)了空間二維的維度來增加絕對計算能力。這項最大規(guī)模的空間二維量子行走實(shí)驗演示，就不是通過傳統(tǒng)的增加光子數(shù)的方式，而是通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復(fù)雜度來提升量子態(tài)空間尺度?；谌S光學(xué)集成芯片的空間二維量子行走，耦合效率高，而且由于復(fù)雜空間演化結(jié)構(gòu)都集成在芯片內(nèi)，不需要調(diào)節(jié)多光子實(shí)驗中大量的透鏡波片，因而實(shí)驗臺更加小巧便捷，操作也更加穩(wěn)定。

這種另辟蹊徑蹊徑開發(fā)更加可行資源的方法，對于未來量子模擬計算的研究帶來很大的啟示。

量子信息時代中國科研工作者的使命

量子信息已經(jīng)經(jīng)歷廣泛原理性驗證，正走出實(shí)驗室，走向?qū)嵱没孔有畔⑿酒芍陵P(guān)重要。上海交通大學(xué)團(tuán)隊將不斷致力于量子信息技術(shù)芯片化和集成化研究，通過飛秒激光直寫技術(shù)構(gòu)建尺度和復(fù)雜度上都達(dá)到全新水平的光量子系統(tǒng)，推動新物理的探索和大規(guī)模光量子模擬計算機(jī)的研究。

金賢敏表示，在20世紀(jì)40-70年代計算機(jī)技術(shù)初步發(fā)展時期，基本上只有歐美數(shù)國活躍的身影；在量子計算這新一輪科技浪潮中，中國正以積極主動、昂然向上的姿態(tài)參與到國際競爭合作中，中國不只在”墨子號”量子通信方面大揚(yáng)國威，也在光子玻色采樣機(jī)、超導(dǎo)量子計算機(jī)、量子云等方面層層突圍，現(xiàn)在又在集成光學(xué)量子計算芯片和模擬量子計算方面引領(lǐng)新的國際前沿。中國學(xué)者不斷取得科學(xué)突破，后盾是中國國力的強(qiáng)大，和對國家科學(xué)技術(shù)的高度重視和大力支持。作為當(dāng)代的中國科學(xué)工作者，深感幸運(yùn)亦倍受激勵！

本項研究以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”為題在Science Advances（《科學(xué)進(jìn)展》） (Sci.Adv., eaat3174, 2018) 上發(fā)表，通訊作者為金賢敏特別研究員，第一作者為助理研究員唐豪博士，其他作者還包括林曉峰博士和博士生馮振、高俊等。本項目受到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2017YFA0303700)，國家自然科學(xué)基金(61734005、11761141014、11690033及11374211)，上海市教育委員會創(chuàng)新項目 (14ZZ020), 上海科委(15QA1402200), 國防科技大學(xué)高性能計算國家重點(diǎn)實(shí)驗室(201511-01)、青年千人計劃以及上海交大致遠(yuǎn)學(xué)院的大力支持。