實(shí)現(xiàn)量子信息的有效傳輸、處理和計(jì)算，是推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵。近日，丹麥科技大學(xué)硅基光學(xué)通信研究中心高級(jí)研究員丁運(yùn)鴻、北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所研究員王劍威以及英國(guó)布里斯托爾大學(xué)教授Stefano Paesani等組成的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)利用硅基光量子芯片技術(shù)，研發(fā)出一款集成化的專用型光量子計(jì)算和量子模擬器。相關(guān)研究成果于7月2日發(fā)表在《自然—物理》雜志。

量子計(jì)算機(jī)有著超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，有望解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能有效解決的特殊且重要的問(wèn)題。在量子計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中，存在兩大主要技術(shù)挑戰(zhàn)：一是如何搭建一個(gè)龐大、可控的量子器件和量子系統(tǒng)；二是如何制備與調(diào)控多體單量子態(tài)來(lái)，從而達(dá)到對(duì)量子信息的傳輸、處理與計(jì)算等功能。

硅基納米集成光量子芯片技術(shù)被認(rèn)為非常有潛力解決上述難題。事實(shí)上，該國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)于去年便研發(fā)出了一款集成近1000個(gè)光子元器件的大規(guī)模硅基光量子芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高維度光子量子糾纏體系的高精度和普適化量子調(diào)控和量子測(cè)量。但當(dāng)時(shí)還存在的問(wèn)題是，如何在光量子芯片上制備出多光子態(tài)，并實(shí)現(xiàn)高效的量子信息處理和計(jì)算功能。

“本研究為解決該問(wèn)題提供了解決方案。”論文通訊作者之一丁運(yùn)鴻告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，硅基光量子芯片技術(shù)以單光子態(tài)為載體來(lái)攜帶量子信息，利用納米尺度（比頭發(fā)絲還要小100倍）的硅波導(dǎo)光子器件來(lái)對(duì)量子信息進(jìn)行有效的傳輸、操控與測(cè)量。“更關(guān)鍵的是，硅基光量子芯片的制備工藝和當(dāng)前成熟的微電子芯片的制備工藝完全兼容，這使得未來(lái)構(gòu)建大規(guī)模硅基光量子信息處理硬件和內(nèi)核成為可能。”?

本研究中，研究人員通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工高性能的硅基集成單光子源陣列，成功制備了8個(gè)光子量子態(tài)，并使之在12種模式低損耗波導(dǎo)陣列的結(jié)構(gòu)中發(fā)生高質(zhì)量的量子干涉。通過(guò)重構(gòu)芯片的非線性量子光源陣列，該光量子處理器芯片可以實(shí)現(xiàn)兩類重要的量子玻色采樣算法，包括觸發(fā)型玻色采樣和高斯玻色采樣算法。

此外，研究人員還利用量子玻色采樣，模擬了化學(xué)分子中本征振動(dòng)模式的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，這為光學(xué)專用量子計(jì)算機(jī)在模擬復(fù)雜物理化學(xué)體系上的應(yīng)用提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。研究分析表明，進(jìn)一步優(yōu)化芯片上器件性能，有望實(shí)現(xiàn)約20個(gè)光子的專用量子計(jì)算和量子模擬器，以及有效解決一些復(fù)雜物理化學(xué)體系的量子模擬問(wèn)題。

丁運(yùn)鴻表示，“硅基光子集成芯片技術(shù)是一項(xiàng)非常強(qiáng)大的技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于量子信息的各個(gè)領(lǐng)域。基于該技術(shù)開(kāi)發(fā)出了硅基光量子處理芯片，這使得我們更有信心在不久的將來(lái)達(dá)到‘量子優(yōu)勢(shì)’。光量子技術(shù)結(jié)合硅基光子集成技術(shù)，將在未來(lái)量子技術(shù)中發(fā)揮重要作用。”

論文共同通訊作者王劍威也指出，集成光量子信息處理芯片具有非常優(yōu)越的可擴(kuò)展性、可控性和可編程性，適合構(gòu)建一個(gè)專用的光量子信息處理和光量子計(jì)算模擬內(nèi)核。“未來(lái)，我們希望通過(guò)發(fā)展大規(guī)模集成的光量子芯片硬件，探索量子計(jì)算在模擬物理過(guò)程和化學(xué)分子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。”