我国光量子芯片技术从跟跑转向并跑
在推出摩尔定律半个多世纪后，集成技术越来越走向瓶颈和巨大的对更高计算能力的需求，反复推动它到底。
“电子芯片的集成度达到了几纳米。如果达到原子级别的极限，那么线路之间的电子将相互干扰，无法正常工作，甚至散热两者都将面临巨大挑战，但人类的计算能力无法阻止。“上海交通大学物理与天文学院教授金贤民正在使用光量子芯片探索量子计算的界限。
闪烁激光器将光束连续投射到透明基板上。很快，一个刻有4800光子电路的波导阵列肉眼看不见。精密成型。在不久的将来，这种光子芯片将携带一个或多个光子并在数万个波导中“运行”，以证明量子计算的潜力和能量。
近两年来，他在国家重点研发项目“量子，量子效应和人工微结构中的功能集成光子芯片”领导下，开展了光量子芯片领域的研究。南京大学卢延庆教授。
金贤民介绍，自2008年左右以来，光量子芯片的研究已遍布全球。目前，芯片和集成已成为量子信息技术的研究热点和战略方向。牛津大学，布里斯托尔大学，罗马大学和麻省理工学院等大学已开始从事光学量子芯片和量子计算领域的工作。努力工作。
然而，当金贤民于2014年回到中国时，相关的国内研究才刚刚开始。金贤民思考了一年多，最后决定开发基于飞秒激光直写的三维集成光量子芯片，解决了量子系统的物理可扩展性瓶颈问题。同时，将量子通信和量子探测的探索从空中扩展到海洋。开发可在室温下运行的宽带量子存储技术。
不发表论文，沉默4年来克服关键技术
目前，光学量子芯片的国际生产过程涉及飞秒激光直写，离子交换，紫外激光直写和硅基处理和其他处理方法。
“以前的飞秒激光直写技术主要集中在建立二维光子线路，但对于大量光学量子芯片，三维集成的优势更加明显，可以制作量子系统具有更高的复杂性，更大的尺寸和更多的节点，这增加了量子计算的计算能力。“金贤民说，自2014年以来，他带领团队使用飞秒激光直写技术克服三维集成技术。
所谓的飞秒激光直接写入，在几百飞秒内，释放芯片基板每个焦点附近的脉冲能量，并通过移动激光，“将“光子写入芯片。线。”由于激光脉冲非常短，直接写入时能量在几百飞秒内被吸收，因此通过改变材料，热量无法融化和固化属性。我们可以平滑地改变芯片的内部特性，形成高质量的光子线，“金贤民说。
然而，激光会聚到不同深度的芯片中，芯片的吸收程度也不同，产生不同的特征。为了配合量子光信号，从2014年到2018年，金贤民和团队成员一起看文献，研究复杂的技术特点，不断设计激光方向，编写代码，调整光束的折射率。波导，并产生了自己的“秘方”。
由于光学量子信息的直接写入技术和过程完全是自行开发的，因此大大提高了芯片制备的效率。 “例如，一个直接写入单个阵列的2,401个波导的芯片，我们的团队只需要一天，而那时，英国团队可能需要半年时间，他们准备的波导阵列基本上是二维的，并且波导的数量只有几百个。此外，在蚀刻后的芯片上，光子演变的损失可以控制在0.16 dB/cm，低。国际平均值为0.2分贝/厘米。
在过去的4年里，金贤民坐在板凳上。他并不急于发表论文。“只要你不出差，就会有三分之一的时间在上海。”他说，在电子芯片时代，我国在芯片的制备和封装等环节受制于人，而研发飞秒激光直写技术，正是要推动光量子芯片制备环节的突破。
光量子集成技术可用于制药、成像、黑洞模拟
在量子计算领域，量子行走是专用量子计算的重要内核。在光量子芯片实验过程中，金贤敏团队设计的三维波导阵列实现了二维连续量子行走。量子达到至少100多个行走步径，突破了过去所有的量子行走实验纪录。
“量子行走具有天然的叠加态特性，到了二维空间，面对分叉选择的时候，量子可以从上下左右四个方向同时走过去，效率大大提高。”金贤敏解释，量子行走在粘合树结构上“快速到达”的优势尤为突出。他和团队巧妙提出了一种具有充分可扩展性的六方粘合树结构，这种结构即使层数很大，都可以在芯片中很好地用三维波导来实现。
结果显示，量子算法可实现约90%的最优到达效率，最优演化长度约为25毫米。而经典算法只能缓慢地达到最优演化情形，且最优到达效率只有6.25%。“有了基于三维集成光量子芯片的大规模量子演化系统，意味着研发各种专用光量子计算算法的实验实现成为可能。”金贤敏说。
有研发可能性的还不止在计算和优化问题方面的应用。金贤敏表示，在光量子芯片中的量子演化分布，未来还有望用于黑洞模拟、量子人工智能、量子拓扑光子学、生物医药及成像等学科的综合性研究。