實(shí)現量子信息的有效傳輸、處理和計算，是推動(dòng)量子計算機發(fā)展的關(guān)鍵。近日，丹麥科技大學(xué)硅基光學(xué)通信研究中心高級研究員丁運鴻、北京大學(xué)物理學(xué)院現代光學(xué)研究所研究員王劍威以及英國布里斯托爾大學(xué)教授Stefano Paesani等組成的國際合作團隊利用硅基光量子芯片技術(shù)，研發(fā)出一款集成化的專(zhuān)用型光量子計算和量子模擬器。相關(guān)研究成果于7月2日發(fā)表在《自然—物理》雜志。

　　量子計算機有著(zhù)超越經(jīng)典計算機的強大計算能力，有望解決一些經(jīng)典計算機不能有效解決的特殊且重要的問(wèn)題。在量子計算機發(fā)展過(guò)程中，存在兩大主要技術(shù)挑戰：一是如何搭建一個(gè)龐大、可控的量子器件和量子系統；二是如何制備與調控多體單量子態(tài)來(lái)，從而達到對量子信息的傳輸、處理與計算等功能。

　　硅基納米集成光量子芯片技術(shù)被認為非常有潛力解決上述難題。事實(shí)上，該國際合作團隊于去年便研發(fā)出了一款集成近1000個(gè)光子元器件的大規模硅基光量子芯片，實(shí)現了對高維度光子量子糾纏體系的高精度和普適化量子調控和量子測量。但當時(shí)還存在的問(wèn)題是，如何在光量子芯片上制備出多光子態(tài)，并實(shí)現高效的量子信息處理和計算功能。

　　“本研究為解決該問(wèn)題提供了解決方案?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧欢∵\鴻告訴《中國科學(xué)報》，硅基光量子芯片技術(shù)以單光子態(tài)為載體來(lái)攜帶量子信息，利用納米尺度（比頭發(fā)絲還要小100倍）的硅波導光子器件來(lái)對量子信息進(jìn)行有效的傳輸、操控與測量?！案P(guān)鍵的是，硅基光量子芯片的制備工藝和當前成熟的微電子芯片的制備工藝完全兼容，這使得未來(lái)構建大規模硅基光量子信息處理硬件和內核成為可能?！?/p>

　　本研究中，研究人員通過(guò)優(yōu)化設計、加工高性能的硅基集成單光子源陣列，成功制備了8個(gè)光子量子態(tài)，并使之在12種模式低損耗波導陣列的結構中發(fā)生高質(zhì)量的量子干涉。通過(guò)重構芯片的非線(xiàn)性量子光源陣列，該光量子處理器芯片可以實(shí)現兩類(lèi)重要的量子玻色采樣算法，包括觸發(fā)型玻色采樣和高斯玻色采樣算法。

　　此外，研究人員還利用量子玻色采樣，模擬了化學(xué)分子中本征振動(dòng)模式的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，這為光學(xué)專(zhuān)用量子計算機在模擬復雜物理化學(xué)體系上的應用提供了有力的實(shí)驗依據。研究分析表明，進(jìn)一步優(yōu)化芯片上器件性能，有望實(shí)現約20個(gè)光子的專(zhuān)用量子計算和量子模擬器，以及有效解決一些復雜物理化學(xué)體系的量子模擬問(wèn)題。

　　丁運鴻表示，“硅基光子集成芯片技術(shù)是一項非常強大的技術(shù)，可廣泛應用于量子信息的各個(gè)領(lǐng)域?；谠摷夹g(shù)開(kāi)發(fā)出了硅基光量子處理芯片，這使得我們更有信心在不久的將來(lái)達到‘量子優(yōu)勢’。光量子技術(shù)結合硅基光子集成技術(shù)，將在未來(lái)量子技術(shù)中發(fā)揮重要作用?！?/p>

　　論文共同通訊作者王劍威也指出，集成光量子信息處理芯片具有非常優(yōu)越的可擴展性、可控性和可編程性，適合構建一個(gè)專(zhuān)用的光量子信息處理和光量子計算模擬內核?！拔磥?lái)，我們希望通過(guò)發(fā)展大規模集成的光量子芯片硬件，探索量子計算在模擬物理過(guò)程和化學(xué)分子結構中的應用?！保n揚眉）

　　論文相關(guān)信息：DOI:10.1038/s41567-019-0567-8