模拟量子计算的实力前景

简 介

5月11日Science子刊Science Advances以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”为题发表了上海交通大学金贤敏研究团队最新研究成果，报道了世界最大规模的三维集成光量子芯片，并演示了首个真正空间二维的随机行走量子计算。同时这也是国内首个自主实现的光量子计算芯片。这项研究进展对于推进模拟量子计算机研究、实现“量子霸权”具有重大意义。

近年来，关于通用量子计算机的新闻屡见于报端，IBM、谷歌、英特尔等公司争相宣告实现了更高的量子比特数纪录。但是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，通用量子计算仍然无法实现。与之相比，模拟量子计算可以直接构建量子系统，不需要像通用量子计算那样依赖复杂量子纠错。一旦能够制备和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。

模拟量子计算的实力前景

模拟量子计算(analog quantum computing)，相对于通用量子计算，有更平易近人的物理实现方式，而且对于玻色采样、搜索、哈密顿量学习、化学模拟等问题上有明显的天然对应方式和加速优势，因此是目前量子信息发展的另一个不可或缺、至关重要的领域。谷歌公司于2017年推出的量子软件OpenFermion便是专攻模拟量子计算。

作为模拟量子计算的一个强有力的工具，二维空间中的量子行走，能够将特定计算任务对应到量子演化空间中的相互耦合系数矩阵中，当量子演化体系能够制备得足够大并且能灵活设计结构时，可以用来实现工程、金融、生物医药等各领域中的各种搜索、优化问题，展现出远优于经典计算机的表现，具有广泛的应用前景。

但是，想要将量子行走真正运用于模拟量子计算来展现量子算法优越性，务必满足两点：足够多的行走路径，及可根据算法需求自由设计的演化空间。以往的量子行走实验受限于所能制备的物理体系的尺寸限制，只能做出几小步演化的原理性演示，且从来不能在真正的空间二维体系中自由演化，远不足以用于模拟量子计算实验。

金贤敏研究组通过飞秒激光直写技术制备集成化三维波导芯片，以波导走向代表连续演化时间，端面形成49×49个节点（即总共2401个节点）的超大演化空间，这样即使是单光子注入，也能实现数以千记的量子行走路径，实验中量子达到至少一百多个行走步径，突破了量子行走实验纪录；同时在演化过程中，光量子在波导之间的耦合强弱也可通过设计波导间距来精确调控。甚至精准波导弯曲、定量引入损耗及等调控技术也在稳步发展中。不断纯熟的集成化波导芯片技术使得量子行走向实际模拟量子计算应用大步靠近。

研究组通过制备PPKTP高亮度单光子源及发展高分辨率ICCD单光子成像技术，观察了光量子的二维行走模式。实验验证量子行走不论在一维还是二维演化空间中，都具有区别于经典随机行走的弹道式传输特性（ballistic transport）。这种加速传输正是支持量子行走能够在许多算法中超越经典计算机的基础。理论曾指出瞬态网络特性（transient network）只在大于一维的量子行走中才实现，而以往准二维量子行走实验由于受限的量子演化空间，无法观测网络传播特征。该研究首次在实验中观测了瞬态网络特性，进一步验证了所实现的量子行走的二维特征。

图：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

超大规模光量子计算芯片来之不易

金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备出包含数千节点的三维光量子计算芯片，正是这种超大规模光量子计算芯片使得真正空间二维自由演化的量子行走得以在实验中首次实现，并促进未来更多量子算法的实现。

图示芯片中的二十组光子阵列里，每组都包含了2401根波导

而这些超大规模光量子计算芯片，得来实属不易。早在2014年，金贤敏放弃获得英国永居机会，从牛津大学毅然回到上海交通大学从零开始组建量子信息实验室时，就把目标放准了光子芯片的研究方向，从搭建实验室飞秒激光直写平台到不断摸索直写参数，前后花了三年时间，才对每个参数对于波导各项性能的影响以及如何写出需求中的波导性能游刃有余。同时花费两年半时间搭建高亮度单光子源和发展高精度的单光子成像技术，这才使得一个个光子在芯片里二维空间量子行走的演化模式首次观测出来。

其实，芯片化集成化已经成为量子信息技术真正迈向实用化的研究热点和战略性方向，在欧洲尤其是英国，已经提前布局并连续获得突破。英国布里斯托大学Jeremy O'Brien团队和牛津大学Ian Walmsley团队是国际上最早开展集成化量子信息技术研究。2014年英国财政部宣布5年资助2.7亿英镑支持四个研究团队开展量子芯片的技术研究，其中Ian Walmsley领衔的基于光量子集成芯片构架网络化量子信息技术[Networked Quantum Information Technology (NQIT)]）获得支持。此外，欧洲为了在量子信息技术集成化研究领域上取得领先地位，欧盟支持把飞秒激光直写与量子信息应用相结合的科学基础研究和技术基础研究，按照侧重不同设立多个重大研究项目，包括QuChip、3DQUEST和PICQUE等，对欧洲多个研究群体进行重点资助。

目前国际上基于光子芯片做量子计算研究有三个主要团队，一是以牛津大学、布里斯托大学(Bristol University)为主的英国量子中心Quantum Hub，二是意大利米兰理工大学团队，三是德国光学名校耶拿大学与以色列理工大学的德国以色列合作团队。虽然这些团队形成时间更早，经过努力，上海交大的金贤敏团队仍获得以下优势：

首先英国团队和意大利团队制备光波导芯片的尺寸非常有限，通常为一维阵列且波导数目不超过50，德国以色列团队能制备二维阵列，然而波导数目也不超过100，而金贤敏使用飞秒激光直写技术，通过几年的参数摸索经验积累，可以制备每个阵列的波导数目可以高达2500且性能稳定的超大规模二维阵列。2017在牛津大学交流报告时，对方看到金贤敏团队所展示的超大波导阵列上的量子光学实验图片，非常惊叹，给出很高的评价。

金贤敏团队另一优势在于制备芯片的高效性。英国团队和意大利团队使用芯片需要多方协调：英国芯片由南安普顿大学加工，而送到牛津大学等其他大学使用，意大利芯片制备方和使用方分别在罗马和米兰，往往从提交任务到收到芯片需要数月。而金贤敏团队自主制备光子芯片，不到一天的时间内就能制备总计上万根波导的许多组阵列，科研上可以很快得到反馈。

第三个优势在于研究量子信息的专业性。德国以色列团队虽然早在2008年就开始制备光学芯片，但将其用于光学和传统物理的研究，团队没有量子研究的基础。金贤敏在创立团队之前已有十几年量子信息的研究经历，从初建团队就是专注于光学集成芯片在量子信息领域的应用，成为国际少有的能够同时自主制备二维光子芯片和开展量子信息研究的独立型团队。

另辟蹊径开发更加高效量子计算资源

在过去20年里，想要增加量子态演化维度，往往通过增加光子数的方式，这需要克服非常严峻的挑战：每个光子的效率都是有限的，而全部光子的效率相乘，乘积则会变得更小，而且整个实验台包括各种大大小小的透镜波片，牵一发则动全身，想要得到有效的结果，实验操作难度可想而之。

而金贤敏团队在掌握了传统的多光子技术的同时，开发了空间二维的维度来增加绝对计算能力。这项最大规模的空间二维量子行走实验演示，就不是通过传统的增加光子数的方式，而是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。基于三维光学集成芯片的空间二维量子行走，耦合效率高，而且由于复杂空间演化结构都集成在芯片内，不需要调节多光子实验中大量的透镜波片，因而实验台更加小巧便捷，操作也更加稳定。

这种另辟蹊径蹊径开发更加可行资源的方法，对于未来量子模拟计算的研究带来很大的启示。

量子信息时代中国科研工作者的使命

量子信息已经经历广泛原理性验证，正走出实验室，走向实用化，量子信息芯片化集成至关重要。上海交通大学团队将不断致力于量子信息技术芯片化和集成化研究，通过飞秒激光直写技术构建尺度和复杂度上都达到全新水平的光量子系统，推动新物理的探索和大规模光量子模拟计算机的研究。

金贤敏表示，在20世纪40-70年代计算机技术初步发展时期，基本上只有欧美数国活跃的身影；在量子计算这新一轮科技浪潮中，中国正以积极主动、昂然向上的姿态参与到国际竞争合作中，中国不只在”墨子号”量子通信方面大扬国威，也在光子玻色采样机、超导量子计算机、量子云等方面层层突围，现在又在集成光学量子计算芯片和模拟量子计算方面引领新的国际前沿。中国学者不断取得科学突破，后盾是中国国力的强大，和对国家科学技术的高度重视和大力支持。作为当代的中国科学工作者，深感幸运亦倍受激励！

本项研究以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”为题在Science Advances（《科学进展》） (Sci.Adv., eaat3174, 2018) 上发表，通讯作者为金贤敏特别研究员，第一作者为助理研究员唐豪博士，其他作者还包括林晓峰博士和博士生冯振、高俊等。本项目受到国家重点研发计划(2017YFA0303700)，国家自然科学基金(61734005、11761141014、11690033及11374211)，上海市教育委员会创新项目 (14ZZ020), 上海科委(15QA1402200), 国防科技大学高性能计算国家重点实验室(201511-01)、青年千人计划以及上海交大致远学院的大力支持。