我国光量子芯片技术从跟跑转向并跑
金凤
摩尔定律提出后的半个多世纪，日趋走向瓶颈的集成技术加上更高算力的巨大需求，一再将它推向终结。
“电子芯片的集成度已经到几个纳米级了，如果再到原子级就走到极限了，到那时，线路间的电子会互相干涉而不能正常工作，甚至散热都将面临极大挑战，但人类的计算能力不能停止。”上海交通大学物理与天文学院教授金贤敏正用光量子芯片，试探量子计算的边界。
近年来，他针对量子信息技术的特点进一步发展了飞秒激光直写技术，制备出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，他在此芯片中构建了大规模六方粘合树，并通过这种高可扩展性结构演示了量子快速到达算法内核，相比经典情形最优效率提高10倍。芯片化、集成化成量子信息技术热点
闪烁的激光不断将光束投射在一张透明基片上，很快，一个刻有4800个光子回路的波导阵列，以肉眼看不到的精度成型。不久的将来，这种光量子芯片将载着一个或多个光子，在数万个波导中“奔跑”，去证明量子计算的潜力和能量。
在上海交通大学光子集成与量子信息实验室，金贤敏正带着学生制备量子光学集成芯片。
两年来，他在南京大学陆延青教授领衔的国家重点研发计划“人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片”项目中，承担光量子芯片等领域的研究。
金贤敏介绍，光量子芯片的研究从2008年左右在全球兴起。目前，芯片化、集成化已经成为量子信息技术迈向实用化的研究热点和战略方向，牛津大学、布里斯托大学、罗马大学、麻省理工学院等名校已经开始在光量子芯片和量子计算等领域发力。
不过，2014年金贤敏回国时，国内的相关研究刚起步。金贤敏整整想了一年多，最终确定基于飞秒激光直写的三维集成光量子芯片的研发，来解决量子系统的物理可扩展性瓶颈；同时，拓展由空到海的量子通信和量子探测的探索，发展可在室温下运行的宽带量子存储技术。
不发表论文，沉寂4年攻克关键技术
目前，国际上有关光量子芯片的制备工艺涉及飞秒激光直写、离子交换、UV激光直写以及硅基工艺等加工方式。
“此前的飞秒激光直写技术主要集中在构建二维光子线路上，但对于大算力的光量子芯片来说，三维集成的优势更明显，这可以让芯片中的量子系统复杂度更高、维度更大、节点更多，从而提高量子计算的算力。”金贤敏表示，从2014年起，他开始带领团队用飞秒激光直写技术攻克三维集成技术。
所谓飞秒激光直写，是在几百飞秒时间内，将一个脉冲的能量释放在芯片基底的每个焦点附近，通过移动激光，在芯片中“写”出光子线路。“因为激光脉冲非常短，直写时能量在几百飞秒时间内被吸收，所以热量还没有来得及散发就以改变材料属性的方式固化下来，我们就可以很平滑地改变芯片内部的性质，形成高品质的光子线路。”金贤敏说。
然而，激光汇聚到芯片中，在不同的深度，被芯片吸收的程度不同，导致呈现不同的特性。为了将量子光信号束缚住，从2014年到2018年，金贤敏和团队成员一起翻看文献，研究复杂的技术特点，不断设计激光走向、编写代码、调整波导中光束的折射率，生成自己的“秘密配方”。
由于面向光量子信息的直写技术和工艺完全自主研发，制备芯片的效率也大大提高，“例如直写单个阵列2401根波导的芯片，我们的团队只需要1天，而当时英国的团队可能需要半年，而且他们制备的波导阵列基本为二维，且波导数仅有几百个。”此外，刻蚀后的芯片，光子演化的损耗能控制在0.16分贝/厘米，低于国际平均水平的0.2分贝/厘米。
这4年，金贤敏甘坐冷板凳，他没有急于发表论文，“只要不出差，在上海工作时，有三分之一的时间都会通宵”。他说，在电子芯片时代，我国在芯片的制备和封装等环节受制于人，而研发飞秒激光直写技术，正是要推动光量子芯片制备环节的突破。
光量子集成技术可用于制药、成像、黑洞模拟
在量子计算领域，量子行走是专用量子计算的重要内核。在光量子芯片实验过程中，金贤敏团队设计的三维波导阵列实现了二维连续量子行走。量子达到至少100多个行走步径，突破了过去所有的量子行走实验纪录。
“量子行走具有天然的叠加态特性，到了二维空间，面对分叉选择的时候，量子可以从上下左右四个方向同时走过去，效率大大提高。”金贤敏解释，量子行走在粘合树结构上“快速到达”的优势尤为突出。他和团队巧妙提出了一种具有充分可扩展性的六方粘合树结构，这种结构即使层数很大，都可以在芯片中很好地用三维波导来实现。
结果显示，量子算法可实现约90%的最优到达效率，最优演化长度约为25毫米。而经典算法只能缓慢地达到最优演化情形，且最优到达效率只有6.25%。“有了基于三维集成光量子芯片的大规模量子演化系统，意味着研发各种专用光量子计算算法的实验实现成为可能。”金贤敏说。
有研发可能性的还不止在计算和优化问题方面的应用。金贤敏表示，在光量子芯片中的量子演化分布，未来还有望用于黑洞模拟、量子人工智能、量子拓扑光子学、生物医药及成像等学科的综合性研究。
来源：科技日报