这块“玻璃片”不一般:世界最大规模光量子芯片在中国诞生

量子
  • 新民晚报
  • 2018-06-01 08:58

最大规模光量子芯片在中国诞生。中国取得的新技术突破,将促进和实现未来更多以量子行走为内核的量子算法,一旦能够制备和灵活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。

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图说:芯片中的二十组光子阵列里,每组都包含了2401根波导? 来源/上海交大供图(下同)

大大小小的光学镜片错落分布,连同各种精密的设备装置固定在实验台上,紧凑的实验室里,最近诞生了我国首个光量子计算芯片——一枚只有指甲大小的“玻璃片”上,布满20组三维集成波导阵列,每一平方毫米的空间里被“雕刻”出2401个节点,使之成为世界最大规模的三维集成光量子芯片,对推进专用量子计算机研究具有重要意义。这是上海交通大学金贤敏研究团队的实验室,这支年轻的团队在这里日以继夜地与“光”打着交道,瞄准光子集成与量子信息前沿交叉领域辛勤耕耘,接连取得重大突破,最新研究在《科学》杂志子刊《科学·进展》上发表。

最大规模光量子芯片诞生

相比采用“0和1”二进制计算的传统计算机,量子计算利用量子力学的特征,因量子可以“0”、“1”及“两者之间”的多种状态存在而获得更大的计算力,量子信息技术的广泛原理性验证已经实现。目前,全球科技巨头都在争相研发量子计算机,希望掌握远超经典计算机的绝对计算能力。

过去20年里,业界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。而且业界共识是,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,通用量子计算仍然难以实现。

而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,不需要像通用量子计算那样依赖复杂量子纠错。团队的最新研究包括利用飞秒激光直写技术制备大规模光量子芯片,搭建了单光子成像系统、高亮度单光子源等,整个研究过程不仅验证和实现了作为模拟量子计算强大算法内核的真正“二维空间中的量子行走”,而且创新地利用飞秒激光直写技术制备了节点数多达49×49的三维集成光量子计算芯片。这些工作将促进和实现未来更多以量子行走为内核的量子算法,一旦能够制备和灵活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。

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图说: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

光量子集成芯片技术的发展,或将解决宏观光学系统中制约量子系统规模化发展的许多瓶颈性难题。但金贤敏坦言,“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,材料、工艺和混合芯片构架,及与量子计算、量子通信和量子精密测量系统融合等方面开展大量研究。不过新成果带来的推动是可以预见的,更大规模的搜索、优化运筹等计算将是最直接的应用。我们现在和发达国家技术上的差距最早都是从基础前沿领域开始的,所以我们要咬住,争取超越和引领。希望未来量子信息时代到来时,我们能有自己的强劲的量子芯片。”

科学路上敢想敢拼

金贤敏曾在国际上最早开展光量子信息集成化研究的牛津大学Ian Walmsley研究组工作,2014年全职回国在上海交大组建了“光子集成与量子信息实验室”。回国前,他已获得欧洲非常好的青年人才资助计划“玛丽?居里”学者称号,可以依托牛津大学相对独立地开展研究。用金贤敏的话说,留在牛津可以“过得很舒服”了。但是,金贤敏一直觉得缺乏归属感,量子的芯片化集成趋势刚刚兴起,他想把积累的知识和经验带回国内,回国建实验室来实现新的突破。作为中国培养的博士,他深知中国科研群体拼搏的冲劲和韧劲,他对回国发展充满信心。有一次因学术交流回到母校中科大,金贤敏在晚餐后带国际同行“逛校园”,“那时候已经九点多了,我们去潘建伟老师和郭光灿老师的实验室都转了转,都是灯火通明的,同行很惊讶,这个时间在国外估计都休闲去了。我告诉他们,这才刚开始呢,为了获得更好更安静的实验条件,深夜工作通宵加班是每个实验组的常态。中国人那么拼,没理由不成功!”

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图说:第一作者唐豪博士手持的光量子芯片中有数万个光子线路

回国前后,金贤敏花了很长时间思考,他要做有意义、有前景但更新颖巧妙、独一无二的事,最终瞄准了三维集成光量子芯片的研发以及量子信息集成化研究上,在前沿研究方向上与之前工作的研究组的方向和技术方案都不同。但创新谈何容易,要组队伍、筹仪器、攒技术,一切都要从零开始,而且还要面对科学研究上的未知和不确定性,回国头3年压力很大。相对国内外科研大组的热火朝天,金贤敏最艰难的时候觉得自己的实验室特别“清冷”。但他始终坚定信念,带头拼,他每天除了吃饭睡觉都在实验室。他笑称“没有梯队,我每天工作十几个小时,相当于复制一个自己”。80后的金贤敏是学生们的“兄长导师”,他喜欢和学生讨论,热情风趣,但是每周组会上也会把不思考、倦怠的学生追问得很难受。他和学生谈情怀和理想,也带头干活、熬夜,“在交大这样的学校,学生们其实都很聪明,就看你是不是比别人更努力,更用心去思考和做事”是他常常对学生说的话,他建立勤奋努力的实验室氛围,鼓励学生要努力和投入才会有收获。

从去年开始,“冷板凳”坐了3年多终于厚积薄发,团队在国际上首次成功完成海水量子通信实验,在光量子芯片的多层技术和集成上也实现了超越,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。这一切都令团队非常振奋,大家也更认同金贤敏敢于挑战引领性研究的坚持。“踏实做好技术,获得科学研究上的无限可能,最终实现实际应用,这一切是顺理成章也是至关重要的。笃信天道酬勤,我们也会继续努力。”金贤敏说。

取得这些成绩,研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的支持,感谢中组部青年千人计划、国家重点研发计划、上海市教委,国防科技大学高性能计算国家重点实验室和上海交大致远学院的大力支持。


来源:新民晚报作者:易蓉编辑:cys

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