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我国光量子芯片技术未来有望用于量子人工智能等学科的综合性研究

2019-09-11 11:03:32     来源:科技日报

把“命门”掌握在自己手中。


摩尔定律提出后的半个多世纪,日趋走向瓶颈的集成技术加上更高算力的巨大需求,一再将它推向终结。


我国光量子芯片技术未来有望用于量子人工智能等学科的综合性研究


“电子芯片的集成度已经到几个纳米级了,如果再到原子级就走到极限了,到那时,线路间的电子会互相干涉而不能正常工作,甚至散热都将面临极大挑战,但人类的计算能力不能停止。”上海交通大学物理与天文学院教授金贤敏正用光量子芯片,试探量子计算的边界。


近年来,他针对量子信息技术的特点进一步发展了飞秒激光直写技术,制备出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,他在此芯片中构建了大规模六方粘合树,并通过这种高可扩展性结构演示了量子快速到达算法内核,相比经典情形最优效率提高10倍。


芯片化、集成化成量子信息技术热点


闪烁的激光不断将光束投射在一张透明基片上,很快,一个刻有4800个光子回路的波导阵列,以肉眼看不到的精度成型。不久的将来,这种光量子芯片将载着一个或多个光子,在数万个波导中“奔跑”,去证明量子计算的潜力和能量。


在上海交通大学光子集成与量子信息实验室,金贤敏正带着学生制备量子光学集成芯片。


两年来,他在南京大学陆延青教授领衔的国家重点研发计划“人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片”项目中,承担光量子芯片等领域的研究。


金贤敏介绍,光量子芯片的研究从2008年左右在全球兴起。目前,芯片化、集成化已经成为量子信息技术迈向实用化的研究热点和战略方向,牛津大学、布里斯托大学、罗马大学、麻省理工学院等名校已经开始在光量子芯片和量子计算等领域发力。


不过,2014年金贤敏回国时,国内的相关研究刚起步。金贤敏整整想了一年多,最终确定基于飞秒激光直写的三维集成光量子芯片的研发,来解决量子系统的物理可扩展性瓶颈;同时,拓展由空到海的量子通信和量子探测的探索,发展可在室温下运行的宽带量子存储技术。


不发表论文,沉寂4年攻克关键技术


目前,国际上有关光量子芯片的制备工艺涉及飞秒激光直写、离子交换、UV激光直写以及硅基工艺等加工方式。


“此前的飞秒激光直写技术主要集中在构建二维光子线路上,但对于大算力的光量子芯片来说,三维集成的优势更明显,这可以让芯片中的量子系统复杂度更高、维度更大、节点更多,从而提高量子计算的算力。”金贤敏表示,从2014年起,他开始带领团队用飞秒激光直写技术攻克三维集成技术。


所谓飞秒激光直写,是在几百飞秒时间内,将一个脉冲的能量释放在芯片基底的每个焦点附近,通过移动激光,在芯片中“写”出光子线路。“因为激光脉冲非常短,直写时能量在几百飞秒时间内被吸收,所以热量还没有来得及散发就以改变材料属性的方式固化下来,我们就可以很平滑地改变芯片内部的性质,形成高品质的光子线路。”金贤敏说。


然而,激光汇聚到芯片中,在不同的深度,被芯片吸收的程度不同,导致呈现不同的特性。为了将量子光信号束缚住,从2014年到2018年,金贤敏和团队成员一起翻看文献,研究复杂的技术特点,不断设计激光走向、编写代码、调整波导中光束的折射率,生成自己的“秘密配方”。


我国光量子芯片技术未来有望用于量子人工智能等学科的综合性研究


由于面向光量子信息的直写技术和工艺完全自主研发,制备芯片的效率也大大提高,“例如直写单个阵列2401根波导的芯片,我们的团队只需要1天,而当时英国的团队可能需要半年,而且他们制备的波导阵列基本为二维,且波导数仅有几百个。”此外,刻蚀后的芯片,光子演化的损耗能控制在0.16分贝/厘米,低于国际平均水平的0.2分贝/厘米。


这4年,金贤敏甘坐冷板凳,他没有急于发表论文,“只要不出差,在上海工作时,有三分之一的时间都会通宵”。他说,在电子芯片时代,我国在芯片的制备和封装等环节受制于人,而研发飞秒激光直写技术,正是要推动光量子芯片制备环节的突破。


光量子集成技术可用于制药、成像、黑洞模拟


在量子计算领域,量子行走是专用量子计算的重要内核。在光量子芯片实验过程中,金贤敏团队设计的三维波导阵列实现了二维连续量子行走。量子达到至少100多个行走步径,突破了过去所有的量子行走实验纪录。


“量子行走具有天然的叠加态特性,到了二维空间,面对分叉选择的时候,量子可以从上下左右四个方向同时走过去,效率大大提高。”金贤敏解释,量子行走在粘合树结构上“快速到达”的优势尤为突出。他和团队巧妙提出了一种具有充分可扩展性的六方粘合树结构,这种结构即使层数很大,都可以在芯片中很好地用三维波导来实现。


结果显示,量子算法可实现约90%的最优到达效率,最优演化长度约为25毫米。而经典算法只能缓慢地达到最优演化情形,且最优到达效率只有6.25%。“有了基于三维集成光量子芯片的大规模量子演化系统,意味着研发各种专用光量子计算算法的实验实现成为可能。”金贤敏说。


有研发可能性的还不止在计算和优化问题方面的应用。金贤敏表示,在光量子芯片中的量子演化分布,未来还有望用于黑洞模拟、量子人工智能、量子拓扑光子学、生物医药及成像等学科的综合性研究。


迈出重要一步:首款3D原子级硅量子芯片架构问世


据澳大利亚新南威尔士大学官网近日报道,该校科学家证明,他们可以在3D设备中构建原子精度的量子比特,并实现精准的层间对齐与高精度的自旋状态测量,最终得到全球首款3D原子级硅量子芯片架构,朝着构建大规模量子计算机迈出了重要一步。


在最新研究中,新南威尔士大学量子计算与通信技术卓越中心教授米歇尔·西蒙斯领导研究团队,将原子级量子比特制造技术应用于多层硅晶体,获得了这款3D原子级量子芯片架构。


西蒙斯解释说:“对于原子级的硅量子比特来说,这种3D架构是一个显着的进展。为了能够持续不断地纠正量子计算中的错误——也是量子计算领域的一个里程碑,我们必须能并行控制许多量子比特。实现这一目标的唯一方法是使用3D架构,因此在2015年,我们开发出一个垂直交叉架构,并申请了专利。然而,这种多层设备的制造还面临一系列挑战。现在,我们通过新研究证明,几年前我们设想的3D方法是可行的。”


在新的3D设计内部,原子级量子比特与控制线(非常细的线)对齐。此外,团队也让3D设备中的不同层实现了纳米精度的对齐——他们展示了一种可实现5纳米精度对齐的技术。


最后,研究人员还通过单次测量获得3D设备的量子比特输出,而不必依赖于数百万次实验的平均值,这有望促进该技术的进一步升级。


我国光量子芯片技术未来有望用于量子人工智能等学科的综合性研究


西蒙斯教授说,尽管距离大规模量子计算机还有至少十年时间,但我们正在系统性地研究大规模架构,这将引领我们最终实现该技术的商业化。

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