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最大規(guī)模光量子芯片在中國誕生。中國取得的新技術突破，將促進和實現(xiàn)未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法，一旦能夠制備和靈活控制的量子物理系統(tǒng)達到全新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進遠超經(jīng)典計算機的絕對計算能力。

圖說：芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了2401根波導? 來源/上海交大供圖（下同）

大大小小的光學鏡片錯落分布，連同各種精密的設備裝置固定在實驗臺上，緊湊的實驗室里，最近誕生了我國首個光量子計算芯片——一枚只有指甲大小的“玻璃片”上，布滿20組三維集成波導陣列，每一平方毫米的空間里被“雕刻”出2401個節(jié)點，使之成為世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，對推進專用量子計算機研究具有重要意義。這是上海交通大學金賢敏研究團隊的實驗室，這支年輕的團隊在這里日以繼夜地與“光”打著交道，瞄準光子集成與量子信息前沿交叉領域辛勤耕耘，接連取得重大突破，最新研究在《科學》雜志子刊《科學·進展》上發(fā)表。

最大規(guī)模光量子芯片誕生

相比采用“0和1”二進制計算的傳統(tǒng)計算機，量子計算利用量子力學的特征，因量子可以“0”、“1”及“兩者之間”的多種狀態(tài)存在而獲得更大的計算力，量子信息技術的廣泛原理性驗證已經(jīng)實現(xiàn)。目前，全球科技巨頭都在爭相研發(fā)量子計算機，希望掌握遠超經(jīng)典計算機的絕對計算能力。

過去20年里，業(yè)界增加絕對計算能力的方式通常是制備更多光子數(shù)的量子糾纏，中國一直在這方面保持優(yōu)勢，成功將光子數(shù)從4個提高到了10個，但同時也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。而且業(yè)界共識是，即使做出幾十甚至更多量子比特數(shù)，如果沒有做到全互連、精度不夠并且無法進行糾錯，通用量子計算仍然難以實現(xiàn)。

而金賢敏團隊另辟蹊徑，通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復雜度來提升量子態(tài)空間尺度，開發(fā)了更加可行的全新量子資源，不需要像通用量子計算那樣依賴復雜量子糾錯。團隊的最新研究包括利用飛秒激光直寫技術制備大規(guī)模光量子芯片，搭建了單光子成像系統(tǒng)、高亮度單光子源等，整個研究過程不僅驗證和實現(xiàn)了作為模擬量子計算強大算法內(nèi)核的真正“二維空間中的量子行走”，而且創(chuàng)新地利用飛秒激光直寫技術制備了節(jié)點數(shù)多達49×49的三維集成光量子計算芯片。這些工作將促進和實現(xiàn)未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法，一旦能夠制備和靈活控制的量子物理系統(tǒng)達到全新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進遠超經(jīng)典計算機的絕對計算能力。

圖說：單光子的二維量子行走演化結果，從左至右，量子行走演化時間逐漸增大

光量子集成芯片技術的發(fā)展，或將解決宏觀光學系統(tǒng)中制約量子系統(tǒng)規(guī)模化發(fā)展的許多瓶頸性難題。但金賢敏坦言，“光量子芯片的研發(fā)仍然處于早期階段，仍然需要在損耗、精度和可調(diào)控能力等各項指標，材料、工藝和混合芯片構架，及與量子計算、量子通信和量子精密測量系統(tǒng)融合等方面開展大量研究。不過新成果帶來的推動是可以預見的，更大規(guī)模的搜索、優(yōu)化運籌等計算將是最直接的應用。我們現(xiàn)在和發(fā)達國家技術上的差距最早都是從基礎前沿領域開始的，所以我們要咬住，爭取超越和引領。希望未來量子信息時代到來時，我們能有自己的強勁的量子芯片?！?/p>

科學路上敢想敢拼

金賢敏曾在國際上最早開展光量子信息集成化研究的牛津大學Ian Walmsley研究組工作，2014年全職回國在上海交大組建了“光子集成與量子信息實驗室”?；貒埃勋@得歐洲非常好的青年人才資助計劃“瑪麗?居里”學者稱號，可以依托牛津大學相對獨立地開展研究。用金賢敏的話說，留在牛津可以“過得很舒服”了。但是，金賢敏一直覺得缺乏歸屬感，量子的芯片化集成趨勢剛剛興起，他想把積累的知識和經(jīng)驗帶回國內(nèi)，回國建實驗室來實現(xiàn)新的突破。作為中國培養(yǎng)的博士，他深知中國科研群體拼搏的沖勁和韌勁，他對回國發(fā)展充滿信心。有一次因學術交流回到母校中科大，金賢敏在晚餐后帶國際同行“逛校園”，“那時候已經(jīng)九點多了，我們?nèi)ヅ私▊ダ蠋熀凸鉅N老師的實驗室都轉了轉，都是燈火通明的，同行很驚訝，這個時間在國外估計都休閑去了。我告訴他們，這才剛開始呢，為了獲得更好更安靜的實驗條件，深夜工作通宵加班是每個實驗組的常態(tài)。中國人那么拼，沒理由不成功！”

圖說：第一作者唐豪博士手持的光量子芯片中有數(shù)萬個光子線路

回國前后，金賢敏花了很長時間思考，他要做有意義、有前景但更新穎巧妙、獨一無二的事，最終瞄準了三維集成光量子芯片的研發(fā)以及量子信息集成化研究上，在前沿研究方向上與之前工作的研究組的方向和技術方案都不同。但創(chuàng)新談何容易，要組隊伍、籌儀器、攢技術，一切都要從零開始，而且還要面對科學研究上的未知和不確定性，回國頭3年壓力很大。相對國內(nèi)外科研大組的熱火朝天，金賢敏最艱難的時候覺得自己的實驗室特別“清冷”。但他始終堅定信念，帶頭拼，他每天除了吃飯睡覺都在實驗室。他笑稱“沒有梯隊，我每天工作十幾個小時，相當于復制一個自己”。80后的金賢敏是學生們的“兄長導師”，他喜歡和學生討論，熱情風趣，但是每周組會上也會把不思考、倦怠的學生追問得很難受。他和學生談情懷和理想，也帶頭干活、熬夜，“在交大這樣的學校，學生們其實都很聰明，就看你是不是比別人更努力，更用心去思考和做事”是他常常對學生說的話，他建立勤奮努力的實驗室氛圍，鼓勵學生要努力和投入才會有收獲。

從去年開始，“冷板凳”坐了3年多終于厚積薄發(fā)，團隊在國際上首次成功完成海水量子通信實驗，在光量子芯片的多層技術和集成上也實現(xiàn)了超越，成為少有的同時具有光量子芯片制備技術和量子信息研究背景的團隊。這一切都令團隊非常振奮，大家也更認同金賢敏敢于挑戰(zhàn)引領性研究的堅持。“踏實做好技術，獲得科學研究上的無限可能，最終實現(xiàn)實際應用，這一切是順理成章也是至關重要的。篤信天道酬勤，我們也會繼續(xù)努力。”金賢敏說。

取得這些成績，研究團隊感謝上海市科委重大項目和國家自然科學基金重點項目的支持，感謝中組部青年千人計劃、國家重點研發(fā)計劃、上海市教委，國防科技大學高性能計算國家重點實驗室和上海交大致遠學院的大力支持。