实现量子信息的有效传输、处理和计算，是推动量子计算机发展的关键。近日，丹麦科技大学硅基光学通信研究中心高级研究员丁运鸿、北京大学物理学院现代光学研究所研究员王剑威以及英国布里斯托尔大学教授Stefano Paesani等组成的国际合作团队利用硅基光量子芯片技术，研发出一款集成化的专用型光量子计算和量子模拟器。相关研究成果于7月2日发表在《自然—物理》杂志。
量子计算机有着超越经典计算机的强大计算能力，有望解决一些经典计算机不能有效解决的特殊且重要的问题。在量子计算机发展过程中，存在两大主要技术挑战：一是如何搭建一个庞大、可控的量子器件和量子系统；二是如何制备与调控多体单量子态来，从而达到对量子信息的传输、处理与计算等功能。
硅基纳米集成光量子芯片技术被认为非常有潜力解决上述难题。事实上，该国际合作团队于去年便研发出了一款集成近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。但当时还存在的问题是，如何在光量子芯片上制备出多光子态，并实现高效的量子信息处理和计算功能。
“本研究为解决该问题提供了解决方案。”论文通讯作者之一丁运鸿告诉《中国科学报》，硅基光量子芯片技术以单光子态为载体来携带量子信息，利用纳米尺度（比头发丝还要小100倍）的硅波导光子器件来对量子信息进行有效的传输、操控与测量。“更关键的是，硅基光量子芯片的制备工艺和当前成熟的微电子芯片的制备工艺完全兼容，这使得未来构建大规模硅基光量子信息处理硬件和内核成为可能。”
本研究中，研究人员通过优化设计、加工高性能的硅基集成单光子源阵列，成功制备了8个光子量子态，并使之在12种模式低损耗波导阵列的结构中发生高质量的量子干涉。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可以实现两类重要的量子玻色采样算法，包括触发型玻色采样和高斯玻色采样算法。
此外，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，这为光学专用量子计算机在模拟复杂物理化学体系上的应用提供了有力的实验依据。研究分析表明，进一步优化芯片上器件性能，有望实现约20个光子的专用量子计算和量子模拟器，以及有效解决一些复杂物理化学体系的量子模拟问题。
丁运鸿表示，“硅基光子集成芯片技术是一项非常强大的技术，可广泛应用于量子信息的各个领域。基于该技术开发出了硅基光量子处理芯片，这使得我们更有信心在不久的将来达到‘量子优势’。光量子技术结合硅基光子集成技术，将在未来量子技术中发挥重要作用。”
论文共同通讯作者王剑威也指出，集成光量子信息处理芯片具有非常优越的可扩展性、可控性和可编程性，适合构建一个专用的光量子信息处理和光量子计算模拟内核。“未来，我们希望通过发展大规模集成的光量子芯片硬件，探索量子计算在模拟物理过程和化学分子结构中的应用。”
论文相关信息：DOI:10.1038/s41567-019-0567-8
