5月11日，子刊以“Two-WalkonaChip”為題發(fā)表了重慶交通學(xué)院數(shù)學(xué)與天文大學(xué)金賢敏研究團隊最新研究成果，報導(dǎo)了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的隨機行走量子估算。同時這也是國外首個光量子估算芯片。這項研究進展對于推動模擬量子計算機研究具有重要意義。
（圖示芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了2401根波導(dǎo)）
近些年來，關(guān)于通用量子計算機的新聞屢見于報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現(xiàn)了更高的量子比特數(shù)紀(jì)錄。并且業(yè)界共識是雖然作出幾十甚至更多量子比特數(shù)，假如沒有做到全互連、精度不夠而且難以進行糾錯，通用量子估算一直未能實現(xiàn)。與之相比量子計算和量子通訊，模擬量子估算可以直接建立量子系統(tǒng)，不須要像通用量子估算那樣依賴復(fù)雜量子糾錯。一旦才能制備和控制的量子化學(xué)系統(tǒng)達到全新尺度，將可直接用于探求新數(shù)學(xué)和在特定問題上推動遠超精典計算機的絕對估算能力。
作為模擬量子估算的一個強悍算法內(nèi)核，二維空間中的量子行走，才能將特定估算任務(wù)對應(yīng)到量子演變空間中的互相耦合系數(shù)矩陣中。當(dāng)量子演變體系還能制備得足夠大而且能靈活設(shè)計結(jié)構(gòu)時，可以拿來實現(xiàn)許多算法和估算任務(wù)，凸顯出遠優(yōu)于精典計算機的表現(xiàn)。金賢敏團隊通過皮秒激光直寫技術(shù)制備了節(jié)點數(shù)多達49×49的三維光量子估算芯片，正是這些目前世界最大規(guī)模的光量子估算芯片促使真正空間二維自由演變的量子行走得以在實驗中首次實現(xiàn)，并將推動未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實現(xiàn)。
（單光子的二維量子行走演變結(jié)果，從左至右：量子行走演變時間逐步減小）
研究組通過發(fā)展高色溫單光子源和高時空區(qū)分的單光子成像技術(shù)，直接觀察了光量子的二維行走模式輸出結(jié)果。實驗驗證量子行走不論在一維還是二維演變空間中，都具有區(qū)別于精典隨機行走的彈道式傳輸特點（）。這些加速傳輸正是支持量子行走才能在許多算法中趕超精典計算機的基礎(chǔ)。理論曾強調(diào)瞬態(tài)網(wǎng)路特點（）只在小于一維的量子行走中才實現(xiàn)，而往年準(zhǔn)二維量子行走實驗因為受限的量子演變空間，難以觀測網(wǎng)路傳播特點。該研究首次在實驗中成功觀測到了瞬態(tài)網(wǎng)路特點，進一步驗證了所實現(xiàn)的量子行走的二維特點。
過去20年里，降低絕對估算能力的方法一般是制備更多光子數(shù)的量子糾纏。中國仍然在這方面保持優(yōu)勢，成功將光子數(shù)從4個提升到了10個，但同時也發(fā)覺降低光子數(shù)異常艱辛。金賢敏團隊另辟蹊徑，通過降低量子演進系統(tǒng)的數(shù)學(xué)維度和復(fù)雜度來提高量子態(tài)空間尺度，開發(fā)了愈加可行的全新量子資源，對于未來模擬量子計算機的研制具有重要意義。
量子信息技術(shù)早已經(jīng)歷了廣泛的原理性驗證，是否能真正走出實驗室，邁向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，取決于我們是否還能建立和操控足夠大規(guī)模的量子系統(tǒng)。宏觀光學(xué)系統(tǒng)中的耗損、穩(wěn)定性和操控精度等看似技術(shù)性問題已弄成走向規(guī)模化的困局性困局。發(fā)展的光量子集成芯片技術(shù)是攻破可擴充性困局有前景的途徑，有望有力促進量子信息技術(shù)的實質(zhì)性進展。
金賢敏2010年起在牛津?qū)W院Ian研究組工作（國際上最早舉辦光量子信息集成化研究也是最頂級的小組之一），學(xué)習(xí)把握了光量子集成先進技術(shù)并合作完成了片上玻色取樣量子估算、片上量子隱型傳態(tài)和片上三光子干涉等一系列研究工作。2014年全職歸國成立了“光子集成與量子信息實驗室”并成為國外最早舉辦皮秒激光直寫光量子芯片研究的單位之一。經(jīng)過數(shù)年的辛酸努力，總算在光量子芯片的多層技術(shù)和集成上實現(xiàn)了趕超，成為少有的同時具有光量子芯片制備技術(shù)和量子信息研究背景的團隊。
（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，因周期性排列彰顯出光柵效應(yīng)而顯得可見）
必須強調(diào)的是，光量子芯片的研制一直處于初期階段，一直須要在耗損、精度和可調(diào)控能力等各項指標(biāo)上，在材料、工藝和混和芯片架構(gòu)上，以及在與量子估算、量子通訊和量子精密檢測系統(tǒng)融合上舉辦大量研究，扎實推動，建立尺度和復(fù)雜度上都達到全新水平的光量子系統(tǒng)，實質(zhì)性地推動新數(shù)學(xué)的探求和量子信息技術(shù)的實用化。
研究團隊謝謝重慶市教委重大項目和國家自然科學(xué)基金重點項目的支持，謝謝國家重點研制計劃、上海市科委量子計算和量子通訊，國防科技學(xué)院高性能估算國家重點實驗室和天津財大致遠大學(xué)、物理與天文大學(xué)的大力支持。
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