我國光量子芯片技術從跟跑轉向并跑

摩爾定律提出后的半個多世紀，日趨走向瓶頸的集成技術加上更高算力的巨大需求，一再將它推向終結。

“電子芯片的集成度已經到幾個納米級了，如果再到原子級就走到極限了，到那時，線路間的電子會互相干涉而不能正常工作，甚至散熱都將面臨極大挑戰，但人類的計算能力不能停止。”上海交通大學物理與天文學院教授金賢敏正用光量子芯片，試探量子計算的邊界。

近年來，他針對量子信息技術的特點進一步發展了飛秒激光直寫技術，制備出世界最大規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計算。同時，他在此芯片中構建了大規模六方粘合樹，并通過這種高可擴展性結構演示了量子快速到達算法內核，相比經典情形最優效率提高10倍。

芯片化、集成化成量子信息技術熱點

閃爍的激光不斷將光束投射在一張透明基片上，很快，一個刻有4800個光子回路的波導陣列，以肉眼看不到的精度成型。不久的將來，這種光量子芯片將載著一個或多個光子，在數萬個波導中“奔跑”，去證明量子計算的潛力和能量。

在上海交通大學光子集成與量子信息實驗室，金賢敏正帶著學生制備量子光學集成芯片。

兩年來，他在南京大學陸延青教授領銜的國家重點研發計劃“人工微結構中的量子、類量子效應及功能集成光子芯片”項目中，承擔光量子芯片等領域的研究。

金賢敏介紹，光量子芯片的研究從2008年左右在全球興起。目前，芯片化、集成化已經成為量子信息技術邁向實用化的研究熱點和戰略方向，牛津大學、布里斯托大學、羅馬大學、麻省理工學院等名校已經開始在光量子芯片和量子計算等領域發力。

不過，2014年金賢敏回國時，國內的相關研究剛起步。金賢敏整整想了一年多，最終確定基于飛秒激光直寫的三維集成光量子芯片的研發，來解決量子系統的物理可擴展性瓶頸；同時，拓展由空到海的量子通信和量子探測的探索，發展可在室溫下運行的寬帶量子存儲技術。

 不發表論文，沉寂4年攻克關鍵技術

目前，國際上有關光量子芯片的制備工藝涉及飛秒激光直寫、離子交換、UV激光直寫以及硅基工藝等加工方式。

“此前的飛秒激光直寫技術主要集中在構建二維光子線路上，但對于大算力的光量子芯片來說，三維集成的優勢更明顯，這可以讓芯片中的量子系統復雜度更高、維度更大、節點更多，從而提高量子計算的算力。”金賢敏表示，從2014年起，他開始帶領團隊用飛秒激光直寫技術攻克三維集成技術。

所謂飛秒激光直寫，是在幾百飛秒時間內，將一個脈沖的能量釋放在芯片基底的每個焦點附近，通過移動激光，在芯片中“寫”出光子線路。“因為激光脈沖非常短，直寫時能量在幾百飛秒時間內被吸收，所以熱量還沒有來得及散發就以改變材料屬性的方式固化下來，我們就可以很平滑地改變芯片內部的性質，形成高品質的光子線路。”金賢敏說。

然而，激光匯聚到芯片中，在不同的深度，被芯片吸收的程度不同，導致呈現不同的特性。為了將量子光信號束縛住，從2014年到2018年，金賢敏和團隊成員一起翻看文獻，研究復雜的技術特點，不斷設計激光走向、編寫代碼、調整波導中光束的折射率，生成自己的“秘密配方”。

由于面向光量子信息的直寫技術和工藝完全自主研發，制備芯片的效率也大大提高，“例如直寫單個陣列2401根波導的芯片，我們的團隊只需要1天，而當時英國的團隊可能需要半年，而且他們制備的波導陣列基本為二維，且波導數僅有幾百個。”此外，刻蝕后的芯片，光子演化的損耗能控制在0.16分貝/厘米，低于國際平均水平的0.2分貝/厘米。

這4年，金賢敏甘坐冷板凳，他沒有急于發表論文，“只要不出差，在上海工作時，有三分之一的時間都會通宵”。他說，在電子芯片時代，我國在芯片的制備和封裝等環節受制于人，而研發飛秒激光直寫技術，正是要推動光量子芯片制備環節的突破。

 光量子集成技術可用于制藥、成像、黑洞模擬

在量子計算領域，量子行走是專用量子計算的重要內核。在光量子芯片實驗過程中，金賢敏團隊設計的三維波導陣列實現了二維連續量子行走。量子達到至少100多個行走步徑，突破了過去所有的量子行走實驗紀錄。

“量子行走具有天然的疊加態特性，到了二維空間，面對分叉選擇的時候，量子可以從上下左右四個方向同時走過去，效率大大提高。”金賢敏解釋，量子行走在粘合樹結構上“快速到達”的優勢尤為突出。他和團隊巧妙提出了一種具有充分可擴展性的六方粘合樹結構，這種結構即使層數很大，都可以在芯片中很好地用三維波導來實現。

結果顯示，量子算法可實現約90%的最優到達效率，最優演化長度約為25毫米。而經典算法只能緩慢地達到最優演化情形，且最優到達效率只有6.25%。“有了基于三維集成光量子芯片的大規模量子演化系統，意味著研發各種專用光量子計算算法的實驗實現成為可能。”金賢敏說。

有研發可能性的還不止在計算和優化問題方面的應用。金賢敏表示，在光量子芯片中的量子演化分布，未來還有望用于黑洞模擬、量子人工智能、量子拓撲光子學、生物醫藥及成像等學科的綜合性研究。