我国科学家研发出新型可编程硅基光量子计算芯片

来源：C114中国通信网　2021-03-08 09:21:09

近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。国内外科技相关机构纷纷布局，欲在其中占一席之地。我国作为科技强国，自然也不例外。

研发出具有实用价值的量子计算机，是量子计算领域最重要的发展目标。然而，由于现今的技术水平，量子比特数目少、有效量子操作深度浅。在这种条件限制下，如何最大化利用量子资源、设计可编程运行有实用前景量子算法的量子装置，成为量子计算领域的重要挑战。

近日，国防科学技术大学计算机学院 QUANTA 团队联合军事科学院、北京量子信息科学研究院、中山大学光电材料与技术国家重点实验室等国内外单位，研发出一款新型可编程硅基光量子计算芯片，实现了多种图论问题的量子算法求解，有望未来在大数据处理等领域获得应用。

据了解，该芯片能够模拟相关粒子的量子漫步动力学，并对包括汉密尔顿量、量子漫步演化时间、粒子可分辨性和交换对称性等所有重要参数进行调控。

研究团队通过实施两个同时作用于二分光子纠缠态的两方的可重配置五模式操作来实现该设备：首先，通过两个芯片上的光子对源产生空间纠缠，然后操纵光子对源以连续调整可分辨性，并对 2 个模拟粒子交换对称性;其次通过使用五个模式通用光学电路，两个粒子在任何五顶点图上经历连续时间量子漫步 (continuous-time quantum walks，CTQWs)。

该芯片有以下几个特点：

一是提出可动态编程实现多粒子量子漫步的光量子芯片结构。研究团队将该设备应用于量子漫步算法，以搜索图中的顶点并测试图的同构性，并在 292 个不同的图形中的每个图形上实现了多达 100 个采样的量子步长演化时间步长。这为传统上难处理的应用打开了通往大规模可编程量子步态处理器的道路。

二是采用硅基集成光学技术，基于所提结构，设计实现了可编程光量子计算芯片。芯片上集成了纠缠光子源、可配置光学网络等，通过电学调控片上元件实现对光量子态的操控，从而实现量子信息的编码和量子算法的映射，具有高集成度、高稳定性、高精确度等优势。

三是通过对所研制光量子计算芯片的编程运行，演示了顶点搜索、图同构等图论问题量子算法的求解。图论问题是大数据处理等许多重要应用的核心数学问题。在图论问题求解上，各种量子算法较之经典算法具有不同程度的计算加速潜力。随着芯片规模和光子数目的增加，芯片可支持实现的图问题规模快速增长。

该成果于近日在国际权威期刊《科学进展》(Science Advances)上发表。其展示了硅基光量子芯片技术实现特定量子计算应用的巨大潜力。

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