推進(jìn)模擬量子計(jì)算機(jī)研究、實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”具有重大意義

近日，我國研究人員制備出大規(guī)模光量子芯片，并成功進(jìn)行了一種重要的模擬量子計(jì)算演示。發(fā)表在最新一期美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的研究顯示，上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)通過“飛秒激光直寫”技術(shù)制備出節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)49×49的光量子計(jì)算芯片。金賢敏介紹，這是目前世界上最大規(guī)模的光量子計(jì)算芯片。

近日，《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(duì)最新研究成果，報(bào)道了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片。一個(gè)個(gè)肉眼看不見的單光子穿過透明的“玻璃片”，幾秒之后，顯示屏幕上呈現(xiàn)出單光子的二維量子行走演化結(jié)果。

這是首個(gè)真正空間二維的隨機(jī)行走量子計(jì)算，同時(shí)也是國內(nèi)首個(gè)自主實(shí)現(xiàn)的光量子計(jì)算芯片。這項(xiàng)研究進(jìn)展對(duì)于推進(jìn)模擬量子計(jì)算機(jī)研究、實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”具有重大意義。

金賢敏教授展示制備芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了2401根波導(dǎo)（Source：新華社）

一個(gè)量子計(jì)算過程完成，而其中最關(guān)鍵的就是這枚“玻璃片”。在燈光下，從某個(gè)角度看去，這枚完全透明的“玻璃片”上隱約閃現(xiàn)幾道光譜。原來一平方毫米的“玻璃片”范圍內(nèi)“雕刻”了幾千個(gè)光波導(dǎo)，所以就像光柵一樣呈現(xiàn)為彩色。

相比于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，這枚光量子芯片可以針對(duì)特定問題實(shí)現(xiàn)算力加速。以此為內(nèi)核，在絕對(duì)計(jì)算能力上有望超越傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

5月15日，在上海交通大學(xué)，金賢敏教授（右二）在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生熟悉光量子芯片制備的要點(diǎn)。（Source：新華社）

光量子芯片的算力到底有多大

光量子芯片實(shí)現(xiàn)了量子加速，比如未來可以設(shè)定一個(gè)優(yōu)化算法，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要100分鐘解決的話，光量子計(jì)算機(jī)只需要10分鐘，以此類推。問題越復(fù)雜，量子加速帶來的優(yōu)越性就越明顯。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)在絕對(duì)計(jì)算能力上超越了現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力極限時(shí)， “量子霸權(quán)”就實(shí)現(xiàn)了，這是量子物理學(xué)家的孜孜不倦追求。

過去20年里，增加絕對(duì)計(jì)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(shì)，成功將光子數(shù)從4個(gè)提高到了10個(gè)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。金賢敏團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，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，開發(fā)了全新量子資源，對(duì)于未來模擬量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)具有重要意義。

“最大規(guī)?！笔谴舜谓鹳t敏團(tuán)隊(duì)發(fā)布的光量子芯片的一個(gè)關(guān)鍵詞。在這枚光量子芯片里節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)49×49個(gè)，也就是2401個(gè)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(yàn)中量子達(dá)到至少一百多個(gè)行走步徑，突破了量子行走實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄。正是這種目前世界最大規(guī)模的光量子計(jì)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(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)，并將促進(jìn)未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)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(jì)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(jì)算應(yīng)用大步靠近。

通過飛秒激光直寫技術(shù)，研究人員可以像3D打印一樣制備可集成大規(guī)模光子線路的光量子芯片。金賢敏團(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)年的努力，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到參數(shù)摸索優(yōu)化，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，終于在光量子芯片的規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了超越，但實(shí)用征程仍然漫長。

金賢敏團(tuán)隊(duì)展示通過“飛秒激光直寫”技術(shù)制備光量子計(jì)算芯片的過程。（Source：新華社）

在特定的問題上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)

“在研究者的實(shí)驗(yàn)室里，從單光子的產(chǎn)生到芯片里量子態(tài)的演化，再到單光子的探測(cè)，整個(gè)過程和系統(tǒng)形成了一臺(tái)模擬量子計(jì)算機(jī)?！苯鹳t敏說。

金賢敏教授講解“飛秒激光直寫”光量子芯片平臺(tái)的編程操作。（Source：新華社）

所謂“模擬量子計(jì)算機(jī)”，就是指專用量子計(jì)算機(jī)。相比于基于量子門的通用量子計(jì)算機(jī)（即數(shù)字量子計(jì)算機(jī)），它可通過構(gòu)建量子物理系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)，而不需要依賴復(fù)雜的量子糾錯(cuò)，因此更加可行。作為模擬量子計(jì)算的一種重要算法內(nèi)核，二維空間中的量子行走模型，能夠?qū)⑻囟ㄓ?jì)算任務(wù)對(duì)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(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，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)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

金賢敏對(duì)記者介紹說，基于光量子芯片中的大規(guī)模量子演化系統(tǒng)，在量子隨機(jī)行走的問題上超過了經(jīng)典隨機(jī)行走的表現(xiàn)。但是要將這種超越付諸于實(shí)際應(yīng)用，還是一個(gè)艱難和漫長的過程。

“我們可以期待一些原理性的應(yīng)用，比如將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)排序、搜索問題、優(yōu)化問題等映射到二維空間隨機(jī)行走的模型，目前我們正在深度挖掘。”金賢敏說，但可以肯定的是，相比于其他量子計(jì)算概念，光量子芯片由于其高集成度和高穩(wěn)定性，更易構(gòu)建足夠復(fù)雜的專用量子計(jì)算機(jī)，用于解決一些特定實(shí)際問題。

模擬量子計(jì)算的實(shí)力前景

近年來，關(guān)于通用量子計(jì)算機(jī)的新聞屢見于報(bào)端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭(zhēng)相宣告實(shí)現(xiàn)了更高的量子比特?cái)?shù)紀(jì)錄。但是業(yè)界共識(shí)是即使做出幾十甚至更多量子比特?cái)?shù)，如果沒有做到全互連、精度不夠并且無法進(jìn)行糾錯(cuò)，通用量子計(jì)算仍然無法實(shí)現(xiàn)。與之相比，模擬量子計(jì)算可以直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，不需要像通用量子計(jì)算那樣依賴復(fù)雜量子糾錯(cuò)。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(jì)算機(jī)的絕對(duì)計(jì)算能力。

模擬量子計(jì)算（analog quantum computing），相對(duì)于通用量子計(jì)算，有更平易近人的物理實(shí)現(xiàn)方式，而且對(duì)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(duì)應(yīng)方式和加速優(yōu)勢(shì)，因此是目前量子信息發(fā)展的另一個(gè)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(jì)算。

作為模擬量子計(jì)算的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，二維空間中的量子行走，能夠?qū)⑻囟ㄓ?jì)算任務(wù)對(duì)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(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jì)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(jì)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(jì)的演化空間。以往的量子行走實(shí)驗(yàn)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(jì)算實(shí)驗(yàn)。

金賢敏團(tuán)隊(duì)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(yàn)驗(yàn)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(jì)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(yàn)由于受限的量子演化空間，無法觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進(jìn)一步驗(yàn)證了所實(shí)現(xiàn)的量子行走的二維特征。

圖：?jiǎn)喂庾拥亩S量子行走演化結(jié)果。從左至右：量子行走演化時(shí)間逐漸增大

超大規(guī)模光量子計(jì)算芯片來之不易

從全球范圍看，目前光量子芯片的研發(fā)仍然處于早期階段，需要在損耗、精度和可調(diào)控能力等各項(xiàng)指標(biāo)上，在材料、工藝和混合芯片構(gòu)架上，以及在與量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量系統(tǒng)融合上開展大量研究，扎實(shí)推進(jìn)，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)，實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)新物理的探索和量子信息技術(shù)的實(shí)用化。

這些超大規(guī)模光量子計(jì)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(huì)，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(yàn)室時(shí)，就把目標(biāo)放準(zhǔn)了光子芯片的研究方向，從搭建實(shí)驗(yàn)室飛秒激光直寫平臺(tái)到不斷摸索直寫參數(shù)，前后花了三年時(shí)間，才對(duì)每個(gè)參數(shù)對(duì)于波導(dǎo)各項(xiàng)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(shí)花費(fèi)兩年半時(shí)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(gè)個(gè)光子在芯片里二維空間量子行走的演化模式首次觀測(cè)出來。

金賢敏教授在觀察制備的芯片。（Source：新華社）

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(duì)和牛津大學(xué)Ian Walmsley團(tuán)隊(duì)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(cái)政部宣布5年資助2.7億英鎊支持四個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(gè)重大研究項(xiàng)目，包括QuChip、3DQUEST和PICQUE等，對(duì)歐洲多個(gè)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(jì)算研究有三個(gè)主要團(tuán)隊(duì)，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(duì)，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(duì)。雖然這些團(tuán)隊(duì)形成時(shí)間更早，經(jīng)過努力，上海交大的金賢敏團(tuán)隊(duì)仍獲得以下優(yōu)勢(shì)：

首先英國團(tuán)隊(duì)和意大利團(tuán)隊(duì)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(duì)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(yàn)積累，可以制備每個(gè)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(bào)告時(shí)，對(duì)方看到金賢敏團(tuán)隊(duì)所展示的超大波導(dǎo)陣列上的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)圖片，非常驚嘆，給出很高的評(píng)價(jià)。

金賢敏團(tuán)隊(duì)另一優(yōu)勢(shì)在于制備芯片的高效性。英國團(tuán)隊(duì)和意大利團(tuán)隊(duì)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(duì)自主制備光子芯片，不到一天的時(shí)間內(nèi)就能制備總計(jì)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(gè)優(yōu)勢(shì)在于研究量子信息的專業(yè)性。德國以色列團(tuán)隊(duì)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(duì)沒有量子研究的基礎(chǔ)。金賢敏在創(chuàng)立團(tuán)隊(duì)之前已有十幾年量子信息的研究經(jīng)歷，從初建團(tuán)隊(duì)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(shí)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(duì)。