中國光量子芯片技術從跟跑轉向並跑
2019年09月11日14:46

  金 鳳

  把“命門”掌握在自己手中

  摩爾定律提出後的半個多世紀,日趨走向瓶頸的集成技術加上更高算力的巨大需求,一再將它推向終結。

  “電子芯片的集成度已經到幾個納米級了,如果再到原子級就走到極限了,到那時,線路間的電子會互相干涉而不能正常工作,甚至散熱都將面臨極大挑戰,但人類的計算能力不能停止。”上海交通大學物理與天文學院教授金賢敏正用光量子芯片,試探量子計算的邊界。

  近年來,他針對量子信息技術的特點進一步發展了飛秒激光直寫技術,製備出世界最大規模的三維集成光量子芯片,並演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。同時,他在此芯片中構建了大規模六方粘合樹,並通過這種高可擴展性結構演示了量子快速到達算法內核,相比經典情形最優效率提高10倍。

  芯片化、集成化成量子信息技術熱點

  閃爍的激光不斷將光束投射在一張透明基片上,很快,一個刻有4800個光子回路的波導陣列,以肉眼看不到的精度成型。不久的將來,這種光量子芯片將載著一個或多個光子,在數萬個波導中“奔跑”,去證明量子計算的潛力和能量。

  在上海交通大學光子集成與量子信息實驗室,金賢敏正帶著學生製備量子光學集成芯片。

  兩年來,他在南京大學陸延青教授領銜的國家重點研發計劃“人工微結構中的量子、類量子效應及功能集成光子芯片”項目中,承擔光量子芯片等領域的研究。

  金賢敏介紹,光量子芯片的研究從2008年左右在全球興起。目前,芯片化、集成化已經成為量子信息技術邁向實用化的研究熱點和戰略方向,牛津大學、布里斯託大學、羅馬大學、麻省理工學院等名校已經開始在光量子芯片和量子計算等領域發力。

  不過,2014年金賢敏回國時,國內的相關研究剛起步。金賢敏整整想了一年多,最終確定基於飛秒激光直寫的三維集成光量子芯片的研發,來解決量子系統的物理可擴展性瓶頸;同時,拓展由空到海的量子通信和量子探測的探索,發展可在室溫下運行的寬帶量子存儲技術。

  不發表論文,沉寂4年攻克關鍵技術

  目前,國際上有關光量子芯片的製備工藝涉及飛秒激光直寫、離子交換、UV激光直寫以及矽基工藝等加工方式。

  “此前的飛秒激光直寫技術主要集中在構建二維光子線路上,但對於大算力的光量子芯片來說,三維集成的優勢更明顯,這可以讓芯片中的量子系統複雜度更高、維度更大、節點更多,從而提高量子計算的算力。”金賢敏表示,從2014年起,他開始帶領團隊用飛秒激光直寫技術攻克三維集成技術。

  所謂飛秒激光直寫,是在幾百飛秒時間內,將一個脈衝的能量釋放在芯片基底的每個焦點附近,通過移動激光,在芯片中“寫”出光子線路。“因為激光脈衝非常短,直寫時能量在幾百飛秒時間內被吸收,所以熱量還沒有來得及散發就以改變材料屬性的方式固化下來,我們就可以很平滑地改變芯片內部的性質,形成高品質的光子線路。”金賢敏說。

  然而,激光彙聚到芯片中,在不同的深度,被芯片吸收的程度不同,導致呈現不同的特性。為了將量子光信號束縛住,從2014年到2018年,金賢敏和團隊成員一起翻看文獻,研究複雜的技術特點,不斷設計激光走向、編寫代碼、調整波導中光束的折射率,生成自己的“秘密配方”。

  由於面向光量子信息的直寫技術和工藝完全自主研發,製備芯片的效率也大大提高,“例如直寫單個陣列2401根波導的芯片,我們的團隊只需要1天,而當時英國的團隊可能需要半年,而且他們製備的波導陣列基本為二維,且波導數僅有幾百個。”此外,刻蝕後的芯片,光子演化的損耗能控製在0.16分貝/釐米,低於國際平均水平的0.2分貝/釐米。

  這4年,金賢敏甘坐冷板凳,他沒有急於發表論文,“只要不出差,在上海工作時,有三分之一的時間都會通宵”。他說,在電子芯片時代,我國在芯片的製備和封裝等環節受製於人,而研發飛秒激光直寫技術,正是要推動光量子芯片製備環節的突破。

  光量子集成技術可用於製藥、成像、黑洞模擬

  在量子計算領域,量子行走是專用量子計算的重要內核。在光量子芯片實驗過程中,金賢敏團隊設計的三維波導陣列實現了二維連續量子行走。量子達到至少100多個行走步徑,突破了過去所有的量子行走實驗紀錄。

  “量子行走具有天然的疊加態特性,到了二維空間,面對分叉選擇的時候,量子可以從上下左右四個方向同時走過去,效率大大提高。”金賢敏解釋,量子行走在粘合樹結構上“快速到達”的優勢尤為突出。他和團隊巧妙提出了一種具有充分可擴展性的六方粘合樹結構,這種結構即使層數很大,都可以在芯片中很好地用三維波導來實現。

  結果顯示,量子算法可實現約90%的最優到達效率,最優演化長度約為25毫米。而經典算法只能緩慢地達到最優演化情形,且最優到達效率只有6.25%。“有了基於三維集成光量子芯片的大規模量子演化系統,意味著研發各種專用光量子計算算法的實驗實現成為可能。”金賢敏說。

  有研發可能性的還不止在計算和優化問題方面的應用。金賢敏表示,在光量子芯片中的量子演化分佈,未來還有望用於黑洞模擬、量子人工智能、量子拓撲光子學、生物醫藥及成像等學科的綜合性研究。

  來源:科技日報

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