中外科学家合作研制出专用型光量子模拟芯片

近日，丹麦科技大学硅基光学通信研究中心的高级研究员丁运鸿、北京大学物理学院的现代光学研究所研究员王剑威以及英国布里斯托尔大学的教授Stefano Paesani等人组成的国际合作团队取得了重要突破。他们成功研发出一款全新的专用型光量子计算和量子模拟器，基于硅基光量子芯片技术，这一成果已经在《自然—物理》杂志上得到了发表。

量子计算机具有超越经典计算机的惊人计算能力，具有解决一系列特殊且重要问题的巨大潜力。如何搭建一个庞大且可控的量子器件和系统，以及如何制备与调控多体单量子态以实现对量子信息的传输、处理与计算等功能，一直是该领域面临的主要技术挑战。

针对这些挑战，硅基纳米集成光量子芯片技术显示出巨大的潜力。事实上，该团队去年已经研发出近1000个光子元器件的大规模硅基光量子芯片，实现了对高维度光子量子纠缠体系的高精度和普适化量子调控和量子测量。而现在，他们在光量子芯片上成功制备了多光子态，实现了高效的量子信息处理和计算功能，为解决前述问题提供了可行的解决方案。

丁运鸿博士告诉《中国科学报》，他们的硅基光量子芯片技术以单光子态为载体来传输量子信息，利用纳米尺度的硅波导光子器件进行操控与测量。更关键的是，这种芯片的制备工艺与当前成熟的微电子芯片制备工艺完全兼容，为未来构建大规模硅基光量子信息处理硬件和内核铺平了道路。

在这项研究中，研究人员还通过优化设计，成功制备了8个光子量子态，并在特定的波导阵列中实现了高质量的量子干涉。通过重构芯片的非线性量子光源阵列，该光量子处理器芯片成功实现了两种重要的量子玻色采样算法。研究人员还利用量子玻色采样模拟了化学分子中本征振动模式的动态演化过程，为光学专用量子计算机在模拟复杂物理化学体系方面的应用提供了强有力的实验支持。

丁运鸿表示，硅基光子集成芯片技术的强大潜力在量子信息的各个领域都得到了广泛应。基于这一技术开发出的硅基光量子处理芯片，让我们对实现“量子优势”充满信心。王剑威也强调了集成光量子信息处理芯片在可扩展性、可控性和可编程性方面的优势，他认为这是构建专用光量子信息处理和模拟内核的理想选择。

展望未来，研究人员希望通过发展大规模集成的光量子芯片硬件，进一步量子计算在模拟物理过程和化学分子结构中的应用。这一研究的深入进行无疑将推动量子计算技术的发展，为实现量子信息的有效传输、处理和计算提供强有力的支持。论文相关信息可通过DOI:10.1038/s41567-019-0567-8获取。