在小指甲蓋大小的芯片上構建一座光子城市 這些中國科學家做到了！

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學物理系博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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)，那會怎樣？

這正是光量子計算所承諾的奇跡。

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

但是，將這些光子集成在一個小小的光量子芯片上，就像是構建一座光子的城市，卻是一項極其復雜的實驗任務。

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物圖

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻[1]

就在2023年4月，一個由北京大學王劍威研究員和龔旗煌教授領銜的科研團隊，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)的關鍵技術。他們研發(fā)出了一款創(chuàng)新的光量子芯片——“博雅一號”。

這款“博雅一號”光量子芯片采用了多光子技術，并首次實現(xiàn)了高維度量子糾纏態(tài)的制備與調控，這是光量子計算領域的一次重大突破。此外，科學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算任務。

這項研究成果被發(fā)表在國際頂尖學術期刊《自然·光子學》上，論文標題為“超大規(guī)模集成的圖量子光子學（Very-large-scale integrated quantum graph photonics）”，這是光量子計算領域的一大進步，也是我們對未來科技的一次大膽想象。

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

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻[1]

一、當圖論遇到光量子芯片——數(shù)學與物理的“雙向奔赴”

想象一下，你走進一個實驗室，里面坐著兩位科學家：一位是圖論領域的數(shù)學家，另一位是光量子計算的物理學家。這個組合就像是科學界的“面包和花生醬”——一個強大的組合，可能會產(chǎn)生意想不到的美味。

數(shù)學家可能會先開口，他的話語中充滿了對圖論的熱愛。他可能會說：“圖論，就像是一種數(shù)學魔法，讓我們能夠將復雜的世界簡化成頂點和邊。想象一下，每個頂點都是一個研究對象，每條邊都是研究對象之間的邏輯關系。我們可以將城市比作頂點，道路比作邊，構建出一個城市間的交通網(wǎng)絡圖?！?/p>

物理學家聽到這個，眼睛立刻亮了起來。他可能會興奮地接著說：“這太棒了！在光量子計算中，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。就像你們數(shù)學家用頂點和邊來描繪復雜的世界，我們也可以用光子和它們的量子干涉效應來構建光量子計算的網(wǎng)絡?！?/p>

數(shù)學家和物理學家相視一笑，他們意識到，他們可以攜手創(chuàng)造奇跡。數(shù)學家補充說：“我可以將你的光子網(wǎng)絡轉化為圖論中的圖，這樣我們就可以利用數(shù)學工具來分析和優(yōu)化光子的行為?！?/p>

圖3 城市交通網(wǎng)絡的示意圖

（圖片來源：VEER圖庫）

物理學家開心地回應：“沒錯！我們可以設計實驗，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，我們就能構建出一座光子的城市，并且創(chuàng)造出一種適用于光子運算的全新方案呢。”

于是，他們開始合作，將圖論的可視化功能和光量子計算的強大運算能力結合起來。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，讓它們以最高效的方式在光子的城市中穿梭。

二、玻色采樣量子運算：錯綜復雜的光子交通網(wǎng)絡

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

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

需要注意的是，玻色采樣量子運算的輸出結果具有高度的隨機性，并且隨著光子數(shù)量的增加，計算輸出的概率分布變得極其復雜。這使得經(jīng)典計算機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)級增長。相比之下，量子計算機能夠更高效地處理這類任務。

圖4 光量子芯片“博雅一號”的光子網(wǎng)絡示意圖

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻[1]

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

在這個光子交通網(wǎng)絡中，光源就像是一座特殊的汽運總站，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現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。這些光源連接著一個錯綜復雜的光子交通網(wǎng)絡，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算”允許我們根據(jù)計算需求，任意規(guī)劃光子小汽車的行駛路徑，從而優(yōu)化這個光子交通網(wǎng)絡。這就像是在光子城市中尋找從點A到點B的最佳路線。此外，科學家們還可以測量這個光子交通網(wǎng)絡的特定屬性，這類似于計算在一個復雜的光子城市網(wǎng)絡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）

因此，基于圖論的光量子計算實驗實際上是利用圖論來設計和理解這個光子城市。圖論就像交通地圖一樣，幫助我們理解光子城市的交通，同時也幫助科學家設計和預測光子在光子交通網(wǎng)絡中的復雜行為。

三、在小小的芯片上，構建一座光子的城市

2022年諾貝爾物理學獎得主之一、奧地利科學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）教授，提出了一個將圖論和量子光學系統(tǒng)緊密結合的理論架構。在這個架構中，科學家能夠使用圖論的可視化特性和數(shù)學工具來詳細描述光量子實驗的計算過程，并探索全新的量子現(xiàn)象。

圖6 光量子計算網(wǎng)絡與圖論的對應關系

（圖片來源：Nature Photonics）參考文獻[1]

為了驗證這一理論，北京大學王劍威研究員和龔旗煌教授領銜的科研團隊及合作者在光量子芯片中真正地構建了一個光子的城市，而這塊光量子芯片大約只有小指甲蓋那么大。在這個光子城市中，約有2500個精密的光學元件，并且成功實現(xiàn)了基于圖論的光量子計算和信息處理。

此外，科學家們還克服了大規(guī)模光量子芯片設計、制造、控制和實驗測量的挑戰(zhàn)，發(fā)展了大規(guī)模集成光量子芯片的制作技術和量子調控方法。這些研究成果表明，科學家們在未來能夠批量生產(chǎn)這樣的光子城市，并根據(jù)特定的計算需求來進行定制光子的交通網(wǎng)絡。

值得一提的是，科學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為雙層或多層的光子超級巴士，極大地擴展了光子在傳輸過程中的信息維度。這些光子超級巴士同樣也能通過共享彼此之間的量子糾纏態(tài)，從而實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。

四、“博雅一號”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”光量子芯片上，科學家們取得了顯著的成就：他們不僅成功制備了多光子高維度量子糾纏態(tài)，還實現(xiàn)了對其的精確控制、測量和驗證。這些成果在圖論的統(tǒng)一框架下得到了驗證，證明了該光量子芯片能夠高效執(zhí)行圖論相關的量子信息處理和量子計算任務。

圖7 光子量子態(tài)的藝術示意圖

（圖片來源：VEER圖庫）

這意味著什么呢？

它標志著我們向基于圖論的大規(guī)模集成光量子計算芯片邁出了重要一步。它不僅展示了在微觀尺度上對光子進行精確控制的能力，還證明了進行大規(guī)模集成量子光學實驗的可行性。這些成就不僅具有深遠的科研意義，更為量子技術的商業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)奠定了堅實的基礎。

參考文獻

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