5月11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)物理與天文學(xué)院金賢敏研究團隊最新研究成果，報道了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。同時，這也是國內(nèi)首個光量子計算芯片。這項研究進展對于推進模擬量子計算機研究具有重要意義。

圖示芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了2401根波導(dǎo)

近年來，關(guān)于通用量子計算機的新聞屢見于報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現(xiàn)了更高的量子比特數(shù)紀錄。但是業(yè)界共識是即使做出幾十甚至更多量子比特數(shù)，如果沒有做到全互連、精度不夠并且無法進行糾錯，通用量子計算仍然無法實現(xiàn)。與之相比，模擬量子計算可以直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，不需要像通用量子計算那樣依賴復(fù)雜量子糾錯。一旦能夠制備和控制的量子物理系統(tǒng)達到全新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進遠超經(jīng)典計算機的絕對計算能力。

作為模擬量子計算的一個強大算法內(nèi)核，二維空間中的量子行走，能夠?qū)⑻囟ㄓ嬎闳蝿?wù)對應(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)計結(jié)構(gòu)時，可以用來實現(xiàn)許多算法和計算任務(wù)，展現(xiàn)出遠優(yōu)于經(jīng)典計算機的表現(xiàn)。金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術(shù)制備了節(jié)點數(shù)多達49×49的三維光量子計算芯片，正是這種目前世界最大規(guī)模的光量子計算芯片使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實驗中首次實現(xiàn)，并將促進未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實現(xiàn)。

單光子的二維量子行走演化結(jié)果，從左至右：量子行走演化時間逐漸增大

研究組通過發(fā)展高亮度單光子源和高時空分辨的單光子成像技術(shù)，直接觀察了光量子的二維行走模式輸出結(jié)果。實驗驗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)典計算機的基礎(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現(xiàn)，而以往準(zhǔn)二維量子行走實驗由于受限的量子演化空間，無法觀測網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實驗中成功觀測到了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進一步驗證了所實現(xiàn)的量子行走的二維特征。

過去20年里，增加絕對計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，成功將光子數(shù)從4個提高到了10個，但同時也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。金賢敏團隊另辟蹊徑，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)了更加可行的全新量子資源，對于未來模擬量子計算機的研發(fā)具有重要意義。

量子信息技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了廣泛的原理性驗證，是否能真正走出實驗室，走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，取決于我們是否能夠構(gòu)建和操控足夠大規(guī)模的量子系統(tǒng)。宏觀光學(xué)系統(tǒng)中的損耗、穩(wěn)定性和操控精度等看似技術(shù)性問題已變成邁向規(guī)模化的瓶頸性難題。發(fā)展的光量子集成芯片技術(shù)是攻克可擴展性難題有前景的途徑，有望有力推動量子信息技術(shù)的實質(zhì)性進展。

金賢敏2010年起在牛津大學(xué)Ian Walmsley研究組工作（國際上最早開展光量子信息集成化研究也是最頂尖的小組之一），學(xué)習(xí)掌握了光量子集成先進技術(shù)并合作完成了片上玻色采樣量子計算、片上量子隱形傳態(tài)和片上三光子干涉等一系列研究工作。2014年全職回國組建了“光子集成與量子信息實驗室”并成為國內(nèi)最早開展飛秒激光直寫光量子芯片研究的單位之一。經(jīng)過數(shù)年的艱辛努力，終于在光量子芯片的多層技術(shù)和集成上實現(xiàn)了超越，成為少有的同時具有光量子芯片制備技術(shù)和量子信息研究背景的團隊。

第一作者唐豪博士手持的光量子芯片中有數(shù)萬個光子線路，因周期性排列體現(xiàn)出光柵效應(yīng)而變得可見

必須指出的是，光量子芯片的研發(fā)仍然處于早期階段，仍然需要在損耗、精度和可調(diào)控能力等各項指標(biāo)上，在材料、工藝和混合芯片構(gòu)架上，以及在與量子計算、量子通信和量子精密測量系統(tǒng)融合上開展大量研究，扎實推進，構(gòu)建尺度和復(fù)雜度上都達到全新水平的光量子系統(tǒng)，實質(zhì)性地推動新物理的探索和量子信息技術(shù)的實用化。