在小指甲蓋大小的芯片上構(gòu)建一座光子城市 這些中國(guó)科學(xué)家做到了！

出品：科普中國(guó)

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

想象一下，如果我們能夠操縱光的各種自由度，甚至是它的秘密身份——量子態(tài)，那會(huì)怎樣？

這正是光量子計(jì)算所承諾的奇跡。

它不僅僅是超高速，它還是低能耗的、高帶寬的，并且能夠同時(shí)處理大量信息，就像一個(gè)“超級(jí)光子大腦”。

但是，將這些光子集成在一個(gè)小小的光量子芯片上，就像是構(gòu)建一座光子的城市，卻是一項(xiàng)極其復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

不過，好消息已經(jīng)來了！

圖1 超大規(guī)模集成光量子芯片的實(shí)物圖

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻(xiàn)[1]

就在2023年4月，一個(gè)由北京大學(xué)王劍威研究員和龔旗煌教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，通過與合作伙伴的共同努力，成功解決了超大規(guī)模集成光量子芯片的制造難題，并掌握了操控光量子態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)。他們研發(fā)出了一款創(chuàng)新的光量子芯片——“博雅一號(hào)”。

這款“博雅一號(hào)”光量子芯片采用了多光子技術(shù)，并首次實(shí)現(xiàn)了高維度量子糾纏態(tài)的制備與調(diào)控，這是光量子計(jì)算領(lǐng)域的一次重大突破。此外，科學(xué)家們還在該光量子芯片上成功演示了一種基于圖論的、可編程的玻色采樣量子計(jì)算任務(wù)。

這項(xiàng)研究成果被發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上，論文標(biāo)題為“超大規(guī)模集成的圖量子光子學(xué)（Very-large-scale integrated quantum graph photonics）”，這是光量子計(jì)算領(lǐng)域的一大進(jìn)步，也是我們對(duì)未來科技的一次大膽想象。

圖2 發(fā)表于《自然·光子學(xué)》的“超大規(guī)模集成的圖量子光子學(xué)”學(xué)術(shù)論文

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻(xiàn)[1]

一、當(dāng)圖論遇到光量子芯片——數(shù)學(xué)與物理的“雙向奔赴”

想象一下，你走進(jìn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，里面坐著兩位科學(xué)家：一位是圖論領(lǐng)域的數(shù)學(xué)家，另一位是光量子計(jì)算的物理學(xué)家。這個(gè)組合就像是科學(xué)界的“面包和花生醬”——一個(gè)強(qiáng)大的組合，可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的美味。

數(shù)學(xué)家可能會(huì)先開口，他的話語中充滿了對(duì)圖論的熱愛。他可能會(huì)說：“圖論，就像是一種數(shù)學(xué)魔法，讓我們能夠?qū)?fù)雜的世界簡(jiǎn)化成頂點(diǎn)和邊。想象一下，每個(gè)頂點(diǎn)都是一個(gè)研究對(duì)象，每條邊都是研究對(duì)象之間的邏輯關(guān)系。我們可以將城市比作頂點(diǎn)，道路比作邊，構(gòu)建出一個(gè)城市間的交通網(wǎng)絡(luò)圖?！?/p>

物理學(xué)家聽到這個(gè)，眼睛立刻亮了起來。他可能會(huì)興奮地接著說：“這太棒了！在光量子計(jì)算中，我們也在做類似的事情。我們用光子，也就是光的粒子，來編織量子信息的光子網(wǎng)絡(luò)。就像你們數(shù)學(xué)家用頂點(diǎn)和邊來描繪復(fù)雜的世界，我們也可以用光子和它們的量子干涉效應(yīng)來構(gòu)建光量子計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家相視一笑，他們意識(shí)到，他們可以攜手創(chuàng)造奇跡。數(shù)學(xué)家補(bǔ)充說：“我可以將你的光子網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為圖論中的圖，這樣我們就可以利用數(shù)學(xué)工具來分析和優(yōu)化光子的行為。”

圖3 城市交通網(wǎng)絡(luò)的示意圖

（圖片來源：VEER圖庫(kù)）

物理學(xué)家開心地回應(yīng)：“沒錯(cuò)！我們可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓光子在特定的路徑上穿梭，就像在圖論中尋找最短路徑一樣。這樣，我們就能構(gòu)建出一座光子的城市，并且創(chuàng)造出一種適用于光子運(yùn)算的全新方案呢?！?/p>

于是，他們開始合作，將圖論的可視化功能和光量子計(jì)算的強(qiáng)大運(yùn)算能力結(jié)合起來。他們創(chuàng)造出了一種“可任意編程的玻色采樣量子運(yùn)算”方法，這種方法就像是為光子量身定做的光子交通網(wǎng)絡(luò)，讓它們以最高效的方式在光子的城市中穿梭。

二、玻色采樣量子運(yùn)算：錯(cuò)綜復(fù)雜的光子交通網(wǎng)絡(luò)

“玻色采樣量子運(yùn)算”聽起來可能有些復(fù)雜，但它實(shí)際上是一種量子計(jì)算模型，旨在展示量子計(jì)算機(jī)在處理某些特定問題時(shí)，相較于經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有顯著的優(yōu)越性。

具體來說，玻色采樣量子運(yùn)算涉及將多個(gè)光子（一種玻色子）送入一個(gè)線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，這些光子在網(wǎng)絡(luò)中會(huì)產(chǎn)生量子干涉。為了測(cè)量這些光子在光子網(wǎng)絡(luò)中的輸出概率分布，我們使用單光子探測(cè)器來檢測(cè)輸出端口的光子分布情況。

需要注意的是，玻色采樣量子運(yùn)算的輸出結(jié)果具有高度的隨機(jī)性，并且隨著光子數(shù)量的增加，計(jì)算輸出的概率分布變得極其復(fù)雜。這使得經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬玻色采樣過程變得極其困難，這種難度隨著光子數(shù)量的增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。相比之下，量子計(jì)算機(jī)能夠更高效地處理這類任務(wù)。

圖4 光量子芯片“博雅一號(hào)”的光子網(wǎng)絡(luò)示意圖

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻(xiàn)[1]

為了更直觀地理解“可任意編程的玻色采樣量子運(yùn)算”，我們可以將其想象為構(gòu)建一個(gè)微小而復(fù)雜的光子交通網(wǎng)絡(luò)，類似于城市交通系統(tǒng)，但專為光子設(shè)計(jì)。

在這個(gè)光子交通網(wǎng)絡(luò)中，光源就像是一座特殊的汽運(yùn)總站，它們發(fā)出小汽車一般的光子，而這些光子小汽車還可以彼此之間實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。這些光源連接著一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的光子交通網(wǎng)絡(luò)，光子小汽車可以在其中自由穿梭。

“可任意編程的玻色采樣量子運(yùn)算”允許我們根據(jù)計(jì)算需求，任意規(guī)劃光子小汽車的行駛路徑，從而優(yōu)化這個(gè)光子交通網(wǎng)絡(luò)。這就像是在光子城市中尋找從點(diǎn)A到點(diǎn)B的最佳路線。此外，科學(xué)家們還可以測(cè)量這個(gè)光子交通網(wǎng)絡(luò)的特定屬性，這類似于計(jì)算在一個(gè)復(fù)雜的光子城市網(wǎng)絡(luò)中有多少種方式可以讓每輛光子小汽車找到停車位。

圖5 光子在光子城市中穿梭的示意圖

（圖片來源：VEER圖庫(kù)）

因此，基于圖論的光量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是利用圖論來設(shè)計(jì)和理解這個(gè)光子城市。圖論就像交通地圖一樣，幫助我們理解光子城市的交通，同時(shí)也幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)光子在光子交通網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜行為。

三、在小小的芯片上，構(gòu)建一座光子的城市

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一、奧地利科學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）教授，提出了一個(gè)將圖論和量子光學(xué)系統(tǒng)緊密結(jié)合的理論架構(gòu)。在這個(gè)架構(gòu)中，科學(xué)家能夠使用圖論的可視化特性和數(shù)學(xué)工具來詳細(xì)描述光量子實(shí)驗(yàn)的計(jì)算過程，并探索全新的量子現(xiàn)象。

圖6 光量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)與圖論的對(duì)應(yīng)關(guān)系

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻(xiàn)[1]

為了驗(yàn)證這一理論，北京大學(xué)王劍威研究員和龔旗煌教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)及合作者在光量子芯片中真正地構(gòu)建了一個(gè)光子的城市，而這塊光量子芯片大約只有小指甲蓋那么大。在這個(gè)光子城市中，約有2500個(gè)精密的光學(xué)元件，并且成功實(shí)現(xiàn)了基于圖論的光量子計(jì)算和信息處理。

此外，科學(xué)家們還克服了大規(guī)模光量子芯片設(shè)計(jì)、制造、控制和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的挑戰(zhàn)，發(fā)展了大規(guī)模集成光量子芯片的制作技術(shù)和量子調(diào)控方法。這些研究成果表明，科學(xué)家們?cè)谖磥砟軌蚺可a(chǎn)這樣的光子城市，并根據(jù)特定的計(jì)算需求來進(jìn)行定制光子的交通網(wǎng)絡(luò)。

值得一提的是，科學(xué)家們還在光量子芯片中創(chuàng)造了一種特殊的光子狀態(tài)，稱為“高維度的量子糾纏態(tài)”。這就像將普通的光子小汽車升級(jí)為雙層或多層的光子超級(jí)巴士，極大地?cái)U(kuò)展了光子在傳輸過程中的信息維度。這些光子超級(jí)巴士同樣也能通過共享彼此之間的量子糾纏態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。

四、“博雅一號(hào)”為芯片和量子科技帶來更多可能

正如前文所講，在“博雅一號(hào)”光量子芯片上，科學(xué)家們?nèi)〉昧孙@著的成就：他們不僅成功制備了多光子高維度量子糾纏態(tài)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的精確控制、測(cè)量和驗(yàn)證。這些成果在圖論的統(tǒng)一框架下得到了驗(yàn)證，證明了該光量子芯片能夠高效執(zhí)行圖論相關(guān)的量子信息處理和量子計(jì)算任務(wù)。

圖7 光子量子態(tài)的藝術(shù)示意圖

（圖片來源：VEER圖庫(kù)）

這意味著什么呢？

它標(biāo)志著我們向基于圖論的大規(guī)模集成光量子計(jì)算芯片邁出了重要一步。它不僅展示了在微觀尺度上對(duì)光子進(jìn)行精確控制的能力，還證明了進(jìn)行大規(guī)模集成量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的可行性。這些成就不僅具有深遠(yuǎn)的科研意義，更為量子技術(shù)的商業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Bao J, Fu Z, Pramanik T, et al. Very-large-scale integrated quantum graph photonics[J]. Nature Photonics, 2023, 17(7): 573-581.