在實現(xiàn)量子計算的超導、離子阱、光子、量子點、拓撲等多種物理體系中，光子系統(tǒng)具有抗外界干擾能力強、操作精度高、可室溫工作等特點，發(fā)展非?？焖?。

光量子計算就是將量子比特信息編碼在單個光子上，通過對光子進行量子操控及測量來實現(xiàn)量子計算。光量子計算芯片技術(shù)是采用傳統(tǒng)的微納加工工藝在單個芯片上集成大量的光量子器件來實現(xiàn)量子計算過程，具有高集成度、高精確度、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，是實現(xiàn)大規(guī)?？蓪嵱没孔佑嬎銠C非常有潛力的途徑。

自2008年以來，光量子芯片技術(shù)迅速發(fā)展。

“2018年，我們首次實現(xiàn)了基于光子系統(tǒng)的通用兩比特光量子計算，就是采用了光量子芯片技術(shù)。我們基于硅基集成光學技術(shù)研制了通用兩比特光量子計算芯片，集成了超過200個光量子器件，能夠?qū)崿F(xiàn)任意的兩比特量子計算應用。這項工作成功地展示了硅基集成光學技術(shù)在實現(xiàn)大規(guī)模光量子計算芯片方面的潛力。”強曉剛介紹，“在之前的研究基礎(chǔ)上，我們瞄準特定應用研制了一款新型的可編程光量子計算芯片，能夠進行量子漫步可編程動態(tài)模擬，從而支持實現(xiàn)圖論問題量子算法，未來可能應用在數(shù)據(jù)庫搜索、模式識別等領(lǐng)域。相對于通用量子計算，這種專用光量子計算芯片有可能可以率先實用化。”

這里的量子漫步，又稱量子行走，是量子計算領(lǐng)域的一類重要計算模型。它是基于量子力學基本原理，對應于經(jīng)典的隨機漫步所提出的，是許多量子算法的理論內(nèi)核。

“舉例來說，在一維直線上從原點出發(fā)，每走一步之前拋一枚硬幣，如果硬幣正面朝上，則向左一步，反之則向右一步，不斷重復這個過程，就形成了一維直線上的經(jīng)典隨機漫步。而在量子世界里，一個量子粒子具有量子疊加以及干涉等性質(zhì)，就可以同時向左和向右走，這樣所形成的量子漫步具有與經(jīng)典隨機漫步完全不同的性質(zhì)。利用量子漫步的這些獨特性質(zhì)就可能設(shè)計出計算速度更快的量子算法。”他說。

強曉剛介紹：“在最近的研究工作中，我們所實現(xiàn)的可編程光量子計算芯片能夠?qū)α孔勇降难莼瘯r間、哈密頓量、粒子全同性、粒子交換特性等要素進行完全調(diào)控，實現(xiàn)不同參數(shù)的量子漫步過程，從而支持運行一系列基于量子漫步模型的量子算法，比如圖頂點搜索、圖同構(gòu)等圖論問題的量子算法。”

記者了解到，這款芯片在國際上首次實現(xiàn)了多粒子量子漫步的可編程動態(tài)模擬，最大的亮點有2個：一是它的可編程性，通過電學調(diào)控片上元件來實現(xiàn)不同參數(shù)的量子漫步模擬，從而支持基于量子漫步模型的不同量子算法運行;二是它的可擴展性，與通用量子計算相比，所提出的芯片架構(gòu)相對簡單，基于硅光技術(shù)能夠更容易進行擴展，來實現(xiàn)未來可實用化的光量子計算系統(tǒng)。

未來發(fā)展：機遇無限卻任重道遠

量子計算技術(shù)的研究，特別是光量子芯片研制，涉及物理、數(shù)學、電子、半導體、計算機等多學科背景的前沿交叉領(lǐng)域，需要多學科深度融合、團隊集體合力。新型可編程光量子芯片就是由來自軍事科學院、國防科技大學、中山大學等科研機構(gòu)組成的聯(lián)合團隊共同完成的，集合了國內(nèi)外從事光量子計算領(lǐng)域研究的很多專家的力量。

“當然，隨著芯片規(guī)模的增大，它的計算能力將不斷增長。但芯片上元件之間的串擾、噪聲等因素也隨之逐漸增大，如何實現(xiàn)芯片計算過程中的糾錯容錯是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。”強曉剛說，同時，如何實現(xiàn)片上的多光子產(chǎn)生及操控也是需要解決的另一技術(shù)挑戰(zhàn)。

“解決這些挑戰(zhàn)，一方面我們需要不斷優(yōu)化器件設(shè)計、提升芯片研制水平，另一方面也可以利用智能算法等從軟件層面來補償芯片噪聲誤差等。”他說。

美國、英國、歐盟等都非常重視量子計算等量子信息技術(shù)的發(fā)展，特別是國外高科技企業(yè)如谷歌、IBM、微軟、英特爾等企業(yè)在量子計算技術(shù)方面投入了大量資源，在推動量子計算技術(shù)由基礎(chǔ)研究向工程化發(fā)展邁進方面取得了顯著的成效。我國在量子技術(shù)領(lǐng)域的布局、研究方面，也走在了世界的前列。應該說中國在量子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)占有一席之地，特別是在量子通信、光量子計算等方向上處于國際先進水平。

記者注意到，不久前發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，明確提出要瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目。量子信息的重要性可見一斑。今年教育部也新增了量子信息科學專業(yè)，這意味著量子技術(shù)領(lǐng)域在人才培養(yǎng)、科研發(fā)展方面進入了新的階段。

“對于我們從事量子計算領(lǐng)域研究的科研人員來說，能夠?qū)倚枰蛡€人專業(yè)結(jié)合起來，開展研究工作，非常令人振奮。”強曉剛說。

關(guān)鍵詞： 量子計算 研究 光子 新概念