上海科学家制备出中国首个光量子计算芯片

上海交通大学14日披露，该校物理与天文学院金贤敏研究团队制备出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；同时这也是中国首个光量子计算芯片。

学界认为这项研究进展对推进模拟量子计算机研究具有重要意义，这一最新研究成果5月11日发表在《Science》子刊《Science Advances》上。

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。

金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了节点数多达49×49的三维光量子计算芯片，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。

该研究首次在实验中成功观测到了瞬态网络特性，进一步验证了所实现的量子行走的二维特征。

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，开发了更加可行的全新量子资源，对于未来模拟量子计算机的研发具有重要意义。

量子信息技术已经经历了广泛的原理性验证，是否能真正走出实验室，走向实用化和产业化，取决于是否能够构建和操控足够大规模的量子系统。宏观光学系统中的损耗、稳定性和操控精度等看似技术性问题已变成迈向规模化的瓶颈性难题。发展的光量子集成芯片技术是攻克可扩展性难题有前景的途径，有望有力推动量子信息技术的实质性进展。

金贤敏2010年起在牛津大学IanWalmsley研究组工作(国际上最早开展光量子信息集成化研究也是最顶尖的小组之一)，学习掌握了光量子集成先进技术并合作完成了片上玻色采样量子计算、片上量子隐形传态和片上三光子干涉等一系列研究工作。2014年全职回国组建了“光子集成与量子信息实验室”并成为中国最早开展飞秒激光直写光量子芯片研究的单位之一。经过数年的艰辛努力，终于在光量子芯片的多层技术和集成上实现了超越，成为少有的同时具有光量子芯片制备技术和量子信息研究背景的团队。

不过，据介绍，光量子芯片的研发仍然处于早期阶段，仍然需要在损耗、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。

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