我國(guó)光量子芯片技術(shù)從跟跑轉(zhuǎn)向并跑

原標(biāo)題：我國(guó)光量子芯片技術(shù)從跟跑轉(zhuǎn)向并跑

把“命門(mén)”掌握在自己手中

摩爾定律提出后的半個(gè)多世紀(jì)，日趨走向瓶頸的集成技術(shù)加上更高算力的巨大需求，一再將它推向終結(jié)。

“電子芯片的集成度已經(jīng)到幾個(gè)納米級(jí)了，如果再到原子級(jí)就走到極限了，到那時(shí)，線路間的電子會(huì)互相干涉而不能正常工作，甚至散熱都將面臨極大挑戰(zhàn)，但人類的計(jì)算能力不能停止。”上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授金賢敏正用光量子芯片，試探量子計(jì)算的邊界。

近年來(lái)，他針對(duì)量子信息技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)展了飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)，制備出世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個(gè)真正空間二維的隨機(jī)行走量子計(jì)算。同時(shí)，他在此芯片中構(gòu)建了大規(guī)模六方粘合樹(shù)，并通過(guò)這種高可擴(kuò)展性結(jié)構(gòu)演示了量子快速到達(dá)算法內(nèi)核，相比經(jīng)典情形最優(yōu)效率提高10倍。

芯片化、集成化成量子信息技術(shù)熱點(diǎn)

閃爍的激光不斷將光束投射在一張透明基片上，很快，一個(gè)刻有4800個(gè)光子回路的波導(dǎo)陣列，以肉眼看不到的精度成型。不久的將來(lái)，這種光量子芯片將載著一個(gè)或多個(gè)光子，在數(shù)萬(wàn)個(gè)波導(dǎo)中“奔跑”，去證明量子計(jì)算的潛力和能量。

在上海交通大學(xué)光子集成與量子信息實(shí)驗(yàn)室，金賢敏正帶著學(xué)生制備量子光學(xué)集成芯片。

兩年來(lái)，他在南京大學(xué)陸延青教授領(lǐng)銜的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“人工微結(jié)構(gòu)中的量子、類量子效應(yīng)及功能集成光子芯片”項(xiàng)目中，承擔(dān)光量子芯片等領(lǐng)域的研究。

金賢敏介紹，光量子芯片的研究從2008年左右在全球興起。目前，芯片化、集成化已經(jīng)成為量子信息技術(shù)邁向?qū)嵱没难芯繜狳c(diǎn)和戰(zhàn)略方向，牛津大學(xué)、布里斯托大學(xué)、羅馬大學(xué)、麻省理工學(xué)院等名校已經(jīng)開(kāi)始在光量子芯片和量子計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)力。

不過(guò)，2014年金賢敏回國(guó)時(shí)，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究剛起步。金賢敏整整想了一年多，最終確定基于飛秒激光直寫(xiě)的三維集成光量子芯片的研發(fā)，來(lái)解決量子系統(tǒng)的物理可擴(kuò)展性瓶頸；同時(shí)，拓展由空到海的量子通信和量子探測(cè)的探索，發(fā)展可在室溫下運(yùn)行的寬帶量子存儲(chǔ)技術(shù)。

 不發(fā)表論文，沉寂4年攻克關(guān)鍵技術(shù)

目前，國(guó)際上有關(guān)光量子芯片的制備工藝涉及飛秒激光直寫(xiě)、離子交換、UV激光直寫(xiě)以及硅基工藝等加工方式。

“此前的飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)主要集中在構(gòu)建二維光子線路上，但對(duì)于大算力的光量子芯片來(lái)說(shuō)，三維集成的優(yōu)勢(shì)更明顯，這可以讓芯片中的量子系統(tǒng)復(fù)雜度更高、維度更大、節(jié)點(diǎn)更多，從而提高量子計(jì)算的算力。”金賢敏表示，從2014年起，他開(kāi)始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)攻克三維集成技術(shù)。

所謂飛秒激光直寫(xiě)，是在幾百飛秒時(shí)間內(nèi)，將一個(gè)脈沖的能量釋放在芯片基底的每個(gè)焦點(diǎn)附近，通過(guò)移動(dòng)激光，在芯片中“寫(xiě)”出光子線路。“因?yàn)榧す饷}沖非常短，直寫(xiě)時(shí)能量在幾百飛秒時(shí)間內(nèi)被吸收，所以熱量還沒(méi)有來(lái)得及散發(fā)就以改變材料屬性的方式固化下來(lái)，我們就可以很平滑地改變芯片內(nèi)部的性質(zhì)，形成高品質(zhì)的光子線路。”金賢敏說(shuō)。

然而，激光匯聚到芯片中，在不同的深度，被芯片吸收的程度不同，導(dǎo)致呈現(xiàn)不同的特性。為了將量子光信號(hào)束縛住，從2014年到2018年，金賢敏和團(tuán)隊(duì)成員一起翻看文獻(xiàn)，研究復(fù)雜的技術(shù)特點(diǎn)，不斷設(shè)計(jì)激光走向、編寫(xiě)代碼、調(diào)整波導(dǎo)中光束的折射率，生成自己的“秘密配方”。

由于面向光量子信息的直寫(xiě)技術(shù)和工藝完全自主研發(fā)，制備芯片的效率也大大提高，“例如直寫(xiě)單個(gè)陣列2401根波導(dǎo)的芯片，我們的團(tuán)隊(duì)只需要1天，而當(dāng)時(shí)英國(guó)的團(tuán)隊(duì)可能需要半年，而且他們制備的波導(dǎo)陣列基本為二維，且波導(dǎo)數(shù)僅有幾百個(gè)。”此外，刻蝕后的芯片，光子演化的損耗能控制在0.16分貝/厘米，低于國(guó)際平均水平的0.2分貝/厘米。

這4年，金賢敏甘坐冷板凳，他沒(méi)有急于發(fā)表論文，“只要不出差，在上海工作時(shí)，有三分之一的時(shí)間都會(huì)通宵”。他說(shuō)，在電子芯片時(shí)代，我國(guó)在芯片的制備和封裝等環(huán)節(jié)受制于人，而研發(fā)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)，正是要推動(dòng)光量子芯片制備環(huán)節(jié)的突破。

 光量子集成技術(shù)可用于制藥、成像、黑洞模擬

在量子計(jì)算領(lǐng)域，量子行走是專用量子計(jì)算的重要內(nèi)核。在光量子芯片實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，金賢敏團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的三維波導(dǎo)陣列實(shí)現(xiàn)了二維連續(xù)量子行走。量子達(dá)到至少100多個(gè)行走步徑，突破了過(guò)去所有的量子行走實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄。

“量子行走具有天然的疊加態(tài)特性，到了二維空間，面對(duì)分叉選擇的時(shí)候，量子可以從上下左右四個(gè)方向同時(shí)走過(guò)去，效率大大提高。”金賢敏解釋，量子行走在粘合樹(shù)結(jié)構(gòu)上“快速到達(dá)”的優(yōu)勢(shì)尤為突出。他和團(tuán)隊(duì)巧妙提出了一種具有充分可擴(kuò)展性的六方粘合樹(shù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)即使層數(shù)很大，都可以在芯片中很好地用三維波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)果顯示，量子算法可實(shí)現(xiàn)約90%的最優(yōu)到達(dá)效率，最優(yōu)演化長(zhǎng)度約為25毫米。而經(jīng)典算法只能緩慢地達(dá)到最優(yōu)演化情形，且最優(yōu)到達(dá)效率只有6.25%。“有了基于三維集成光量子芯片的大規(guī)模量子演化系統(tǒng)，意味著研發(fā)各種專用光量子計(jì)算算法的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)成為可能。”金賢敏說(shuō)。

有研發(fā)可能性的還不止在計(jì)算和優(yōu)化問(wèn)題方面的應(yīng)用。金賢敏表示，在光量子芯片中的量子演化分布，未來(lái)還有望用于黑洞模擬、量子人工智能、量子拓?fù)涔庾訉W(xué)、生物醫(yī)藥及成像等學(xué)科的綜合性研究。