首页 科技新闻正文

我国光量子芯片技术从跟跑转向并跑

科技新闻 2019-10-09 15 科技新闻

摩尔定律提出半个多世纪后,日益走向瓶颈的集成技术和对更高计算能力的巨大需求一次又一次地将它推向了尽头。

“电子芯片的集成度已经达到几个纳米水平。如果它达到原子水平,它就会达到极限。那时,电路中的电子会相互干扰,无法正常工作。即使散热也将面临巨大挑战,但人类的计算能力无法停止。”上海交通大学物理与天文学院教授金贤民正在使用光学量子芯片探索量子计算的边界。

近年来,他根据量子信息技术的特点,进一步发展了飞秒激光直写技术,制备了世界上最大的三维集成光学量子芯片,并演示了第一个实空间二维随机行走量子计算。同时,他在该芯片中构建了一个大规模的六边形键合树,并通过这种高度可伸缩的结构展示了量子快速到达算法内核,与经典情况相比,优化效率提高了10倍。

闪烁的激光束不断投射到透明的基底上。很快,一个具有4800个光子电路的波导阵列以肉眼看不见的精度形成了。在不久的将来,这种光学量子芯片将携带一个或多个光子,并“穿过”数万个波导,以证明量子计算的潜力和能量。

近两年来,在南京大学卢延庆教授领导的国家重点研发项目“人工微结构中的量子、类量子效应和功能集成光子芯片”中,从事光学量子芯片等领域的研究。

金贤民说,自2008年以来,全世界对光学量子芯片的研究一直在上升。目前,微芯片和集成已经成为量子信息技术走向实用化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著名大学已经开始在光学量子芯片和量子计算领域做出努力。

然而,当金贤敏于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,最终决定开发一种基于飞秒激光直写的三维集成光学量子芯片,以解决量子系统物理可扩展性的瓶颈。同时,将量子通信和量子探测的探索从空中扩展到海上,发展能够在室温下工作的宽带量子存储技术。

目前,光学量子芯片的国际制造工艺包括飞秒激光直写、离子交换、紫外激光直写和硅基工艺。

以前飞秒激光直写技术主要集中在二维光子电路的构建上,但对于计算能力大的光学量子芯片,三维集成的优势更加明显,这可以使芯片中的量子系统更加复杂、维数更大、节点更多,从而提高量子计算的计算能力金贤民说,从2014年开始,他开始带领团队用飞秒激光直写技术征服三维集成技术。

所谓的飞秒激光直接写入是在几百飞秒内释放芯片衬底每个焦点附近的脉冲能量,并通过移动激光器在芯片中“写入”光子线。“因为激光脉冲非常短,在直接写入过程中,能量在几百飞秒内被吸收,所以我们可以平滑地改变芯片的内部特性,并在通过改变材料特性来散热和固化热量之前形成高质量的光子电路。”金贤民说。

然而,激光聚焦到芯片中,并在不同深度被芯片吸收,导致不同的特性。为了绑定量子光信号,从2014年到2018年,金贤民和他的团队成员一起查阅文献,研究复杂的技术特征,不断设计激光方向,编写代码,调整光束在波导中的折射率,并生成自己的“秘密公式”。

随着光量子信息直接写入技术和过程的完全独立发展,芯片制备的效率也在提高。“例如,我们的团队只需要一天的时间就可以直接在单个阵列中写下2401个波导的芯片,而英国的团队可能需要半年的时间,他们准备的波导阵列基本上是二维的,只有几百个波导。”此外,蚀刻芯片的光子演化损耗可控制在0.16分贝/厘米,低于0.2分贝/厘米的国际平均值。

在过去的四年里,金贤甘敏一直坐在长椅上。他不急于发表论文。只要他不出差,三分之一的时间他都会在上海通宵工作他说,在电子芯片时代,我国在芯片制备和封装方面受他人控制,飞秒激光直写技术的研究和发展正是为了推动光量子芯片制备的突破。

在量子计算领域,量子行走是特殊量子计算的重要核心。在光量子芯片实验中,金贤民团队设计的三维波导阵列实现了二维连续量子行走。量子已经达到至少100步以上,打破了量子行走实验的所有记录。

“量子行走具有叠加态的性质。在二维空间中,面对分岔选择时,量子可以同时从上往下、左右行走,从而提高效率。”金贤民解释说,量子行走在键合树结构上具有“快速到达”的特别突出的优势。他和他的团队巧妙地提出了一个六边形键合树结构,具有足够的可伸缩性。这种结构可以在具有三维波导的芯片中实现,即使层数非常大。

结果表明,量子算法可以达到约90%的最优到达效率,最优进化长度约为25mm。然而,经典算法只能缓慢地达到最优进化,最优到达效率仅为6.25%。“基于三维集成光学量子芯片的大规模量子进化系统的存在意味着有可能开发各种特殊光学量子计算算法的实验实现。”金贤民说。

研究和开发的可能性超出了计算和优化问题的应用。金贤民表示,光学量子芯片中量子演化的分布有望在未来用于黑洞模拟、量子人工智能、量子拓扑光子学、生物医学和成像的综合研究。

版权声明

本文仅代表作者观点,不代表本站立场。
本文系作者授权发表,未经许可,不得转载。