美国《科学》杂志子刊《科学—进展》日前发表了上海交通大学物理与天文学院金贤敏团队最新研究成果。该研究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光量子计算芯片。这一成果对于推进模拟量子计算机研究具有重要意义。
近年来，关于通用量子计算机的新闻屡见报端，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，通用量子计算仍难以实现。与之相比，模拟量子计算可以直接构建量子系统，无需依赖复杂量子纠错。作为模拟量子计算的一个强大算法内核，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，可以用来实现许多算法和计算任务，展现出远优于传统计算机的表现。上海交大金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了节点数多达49×49的三维光量子计算芯片。这种目前世界最大规模的光量子计算芯片，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，并将促进未来更多以量子行走为内核的量子算法的实现。
这篇题为《基于光子芯片的二维量子行走实验研究》的论文显示，研究人员通过发展高亮度单光子源和高时空分辨的单光子成像技术，直接观察了光量子的二维行走模式输出结果。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。这种加速传输正是支持量子行走能够在许多算法中超越传统计算机的基础。曾有理论指出瞬态网络特性只在大于一维的量子行走中才能实现，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成功观测到了瞬态网络特性，进一步验证了所实现的量子行走的二维特征。
过去20年里，增加绝对计算能力的方式通常是制备更多光子数的量子纠缠。中国一直在这方面保持优势，成功将光子数从4个提高到了10个，但同时也发现增加光子数异常艰难。金贤敏团队另辟蹊径，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，开发了更加可行的全新量子资源，对于未来模拟量子计算机的研发具有重要意义。
量子信息技术已经经历了广泛的原理性验证，是否能真正走出实验室、走向实用化和产业化，取决于我们是否能够构建和操控足够大规模的量子系统，发展的光量子集成芯片技术有望推动量子信息技术的实质性进展。金贤敏团队在光量子芯片的多层技术和集成上实现了超越，成为少有的同时具有光量子芯片制备技术和量子信息研究背景的团队。
目前，光量子芯片的研发仍然处于早期阶段，仍然需要在损耗、精度和可调控能力等各项指标上，在材料、工艺和混合芯片构架上，以及在与量子计算、量子通信和量子精密测量系统融合上开展大量研究，构建尺度和复杂度上都达到全新水平的光量子系统，推动量子信息技术的实用化。
摘自科技日报
