很多人不了解光量子芯片，光量子芯片冷敷貼，光量子冷敷貼的區(qū)別？究竟這中間藏著什么樣的玄機(jī)呢？
最近，上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模三維結(jié)構(gòu)集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的連續(xù)時間隨機(jī)行走量子計算，其成果最近發(fā)表于期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。該團(tuán)隊(duì)使用飛秒激光直寫技術(shù)，制備了節(jié)點(diǎn)數(shù)為 49×49 的二維光量子計算芯片，這對于推動量子模擬機(jī)的發(fā)展，解決特定棘手問題有著重要的意義。
光量子計算較超導(dǎo)量子更容易實(shí)現(xiàn)常溫操作與大規(guī)模量子操作
光量子芯片，光量子芯片冷敷貼，光量子冷敷貼計算是通過光學(xué)邏輯門進(jìn)行操作，主要通過光學(xué)偏振片實(shí)現(xiàn)，而超導(dǎo)方案則是通過射頻信號來實(shí)現(xiàn)，其次，光學(xué)量子計算主要以光子的偏振自由度、角動量等作為量子比特的變化量測對象，而超導(dǎo)量子計算基于約瑟夫森結(jié)，可以是 flux 或者 charge 作為量子比特。 與原子、離子、超導(dǎo)電路等類型的量子計算機(jī)相比，光量子芯片，光量子芯片冷敷貼，光量子冷敷貼計算方式運(yùn)算規(guī)模巨大，且其最大的優(yōu)勢為可在室溫下、空氣中運(yùn)行，能克服量子噪聲極限，結(jié)構(gòu)亦相對單純。光量子計算機(jī)不需要巨大的冷卻設(shè)施和真空設(shè)施，在能耗控制與實(shí)現(xiàn)通用計算方面，要比傳統(tǒng)量子計算更具優(yōu)勢， 不過，光量子芯片，光量子芯片冷敷貼，光量子冷敷貼技術(shù)在量子比特的增加難度上要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)超導(dǎo)量子計算。2017 年由中國科學(xué)院所提出的 10 量子比特架構(gòu)已經(jīng)是極大的突破，但相較超導(dǎo)量子計算方案最高已經(jīng)達(dá)到 72 量子比特仍有相當(dāng)大的進(jìn)步空間。 國外主要大企業(yè)也因?yàn)槠涔?jié)點(diǎn)的擴(kuò)張難度較高，因此都以超導(dǎo)量子為主要的研究方向。不過，金賢敏團(tuán)隊(duì)成功突破光量子計算的極限，推出節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)49×49，也就是具備達(dá) 2401 個節(jié)點(diǎn)的光量子計算芯片，大幅超越諸如以色列、英國以及德國的類似研究成果達(dá)數(shù)十倍以上，光量子冷敷貼，光量子芯片都取得了一定成果
金賢敏團(tuán)隊(duì)在其光量子芯片實(shí)驗(yàn)過程中，量子達(dá)到至少一百多個行走步徑，突破了過去所有的量子行走實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄。正是這種目前世界最大規(guī)模的光量子計算芯片，使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)，并將促進(jìn)未來更多以量子行走為內(nèi)核的量子算法的實(shí)現(xiàn)。 在光量子計算領(lǐng)域，中國不需要喊彎道超車這個爛梗，而是早已經(jīng)把競爭者遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在腦后。
不走常規(guī)的量子行走技術(shù)
在量子計算領(lǐng)域有幾種主要核心理論，分別是量子門模型( Quantum gate model ) 、拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī) ( Topological Quantum Computer ) 、量子退火 ( Quantum annealing ) 以及量子行走 ( quantum walk ) 。英特爾、IBM 等主流大廠走的都是量子門模型，而著名的 DWave Computing 則是主打量子退火。 量子行走技術(shù)則是經(jīng)典隨機(jī)行走的量子版本，也是光量子芯片，光量子芯片冷敷貼，光量子冷敷貼計算的理論基礎(chǔ)。隨機(jī)行走起源于 1905 年愛因斯坦發(fā)表的關(guān)于布朗運(yùn)動的研究論文。在那之后一個世紀(jì)，關(guān)于布朗運(yùn)動以及相關(guān)的隨機(jī)行走模型的研究有了長足的進(jìn)展，不僅在物理學(xué)中，也在其他的學(xué)科比如化學(xué)、地理、生物甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)中都被廣泛應(yīng)用。作為馬爾科夫過程，隨機(jī)行走可以在任意的圖上實(shí)現(xiàn)。 讓我們來看一個關(guān)于經(jīng)典隨機(jī)行走的簡單的例子： 以一個一維晶格上的隨機(jī)行走過程：假設(shè)一維晶格上一共存在 N 個格點(diǎn)，每個格點(diǎn)都用一個正整數(shù)或者負(fù)整數(shù)來標(biāo)記，如圖1(a)所示，所有的格點(diǎn)從 -9 到 +9 依次標(biāo)記。在每一次行走后，我們都只能處在某個格點(diǎn)上，同時假設(shè)我們初始時呆在 0 處。然后，我們拋擲一枚經(jīng)典的硬幣，它只能朝上或者朝下。當(dāng)硬幣朝上時，我們往左走一步，反之則往右走一步。在一定的步數(shù) T 之后，我們可以計算行走者處在每個格點(diǎn)上的概率（圖1(b)）。當(dāng)然，我們也可以選擇兩個方向是不等概率的，即硬幣處于朝上和朝下的概率是不同的。
一維晶格上，行走者可以通過投擲硬幣來決定兩個行走的方向。(b) 一維晶格上經(jīng)過 T 次行走之后行走者所處的狀態(tài)。可以看出，行走者處于中間的位置大于處于兩端的概率
依據(jù)概率論的知識，在經(jīng)過足夠長的步數(shù)之后，行走者所處位置的概率分布為高斯分布。
但是，由于經(jīng)典行走在設(shè)計隨機(jī)算法中的廣泛應(yīng)用及較低效率，2001 年 Ambainis、Kempe 和 Childs 等人提出可以利用量子隨機(jī)行走開發(fā)量子算法。 由于量子世界的“態(tài)疊加”和“干涉”性質(zhì)，量子行走與經(jīng)典行走最大的區(qū)別在于可以同時向左向右走，最終處于中間的概率不一定最大。
量子行走在一些特定的搜索和量子模擬問題上，有著比經(jīng)典行走指數(shù)型加速的優(yōu)勢，并且由于不需要糾錯，相比通用量子計算機(jī)也有很大的優(yōu)勢。這種優(yōu)勢和量子行走的態(tài)空間大小有直接關(guān)系，雖然可以通過增加光子數(shù)或者增加演化網(wǎng)絡(luò)的維度來增加態(tài)空間的大小，但后者增加維度的方法由于技術(shù)上的困難性，對于廣大科研工作者一直是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的工作。
中國研究者成功征服量子行走理論
由于量子行走的重要性，很多科研工作者投入了很大的精力在不同的物理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了量子行走，其中包括核磁共振系統(tǒng)，中性原子阱系統(tǒng)，離子阱系統(tǒng)和光子系統(tǒng)。但是，這些實(shí)驗(yàn)有著一個共同的缺點(diǎn)，他們所實(shí)現(xiàn)的量子行走都是一維的，有著非常有限的演化空間。這種簡單的一維量子行走并不能滿足復(fù)雜量子算法或量子模擬器的加速需求。比如說，在空間搜索算法中，科學(xué)家理論上證明量子行走若要打敗自己的經(jīng)典對手，那么它的維度必須要大于一。而對于更復(fù)雜的石墨烯、光合作用和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模擬，需要的維度會更高。
雖然后來在光纖系統(tǒng)中，科學(xué)家通過動態(tài)調(diào)整兩個“行走者的間距”實(shí)現(xiàn)了二維離散時間量子行走，但這種二維量子行走更象是用兩個一維空間的行走者來代表一個二維空間的行走者，并不是真實(shí)的物理實(shí)現(xiàn)。
然而，上海交大金賢敏團(tuán)隊(duì)則首次使用二維波導(dǎo)陣列實(shí)現(xiàn)了二維連續(xù)量子行走。通過單光子源激發(fā)，測量其演化，發(fā)現(xiàn)其與理論預(yù)測符合的非常好。這項(xiàng)工作從實(shí)驗(yàn)上證明了二維量子行走與經(jīng)典行走、一維量子行走相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢。
圖二 | 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 (a) 飛秒激光直寫技術(shù)制備的三維波導(dǎo)陣列。(b) 實(shí)驗(yàn)上所用到的光子晶格橫截面。(c) 一個波導(dǎo)耦合另一個波導(dǎo)示意圖。(d) 垂直和平行方向，兩個波導(dǎo)耦合系數(shù)隨著距離變化的變化趨勢。(e)單光子實(shí)驗(yàn)裝置。APD：雪崩光二極管。PBS：極化分束器。HWP：半波片。QWP：1/4波片。LPF：低通濾波器。PPKTP：周期極化KTP晶體
如圖二，在該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中，他們首先使用飛秒激光器直寫技術(shù)制備了二維波導(dǎo)陣列，見圖二(b)橫截面圖，這種波導(dǎo)是寫在不同深度的硼硅玻璃上，形成的二維陣列。兩個近鄰波導(dǎo)間的中心單位距離，在垂直方向?yàn)?15 微米，平行方向?yàn)?13.5 微米。在這個二維陣列中，每個波導(dǎo)都和周圍所有的波導(dǎo)耦合在一起。
光量子芯片，光量子芯片冷敷貼，光量子冷敷貼這種二維結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同傳播長度模式單光子分布概率的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，高強(qiáng)度的峰總是出現(xiàn)在對角元位置。對于圖中的五組理論與實(shí)驗(yàn)的對比，計算得到的相似度分別為：0.961，0.920，0.917，0.913，說明實(shí)驗(yàn)和理論預(yù)期結(jié)果符合的很好。
圖三 | 概率分布：橫縱軸分別對應(yīng)兩個維度，z軸為對應(yīng)的單光子概率。（A到E）實(shí)驗(yàn)上得到的單光子概率分布。（F到J）理論概率分布。傳播長度分別為：（A和F）1.81mm，（B和G）3.31mm，（C和H）4.81mm，（D和I）7.31mm，（E和J）9.81mm
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種量子行走，他們使用了量子行走獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì)，通過傳輸長度和方差的關(guān)系。如圖四，一維量子行走和二維量子行走理論和實(shí)驗(yàn)上的方差都在圖四（A）中展現(xiàn)，所有的量子行走對于相同間距的最近鄰有著相同的耦合系數(shù)，并且有著很大的格點(diǎn)數(shù)以忽略邊界效應(yīng)。對于二維量子行走，實(shí)驗(yàn)和理論預(yù)期符合的很好，而一維方差總是處在二維的下方。但是，所有的量子行走都遵循著趨勢z2而不是趨勢z1，說明無論是一維還是二維，他們都和經(jīng)典隨機(jī)行走有著本質(zhì)的區(qū)別。
圖四| 量子行走的輸運(yùn)性質(zhì)。（A）一維量子行走和二維量子行走理論和實(shí)驗(yàn)方差與傳播長度的關(guān)系。（B）傳播長度為4.31mm的單光子二維量子行走概率分布。（C）1.5單位長度的理論經(jīng)典隨機(jī)行走概率分布
為了進(jìn)一步比較不同維度量子行走的區(qū)別，該團(tuán)隊(duì)測試了傳播長度和此時發(fā)現(xiàn)行走者處在初始位置的概率的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，所有的量子行走隨著傳播長度的增加，回到初始點(diǎn)的概率都會減少，但會有著不同的減少趨勢，二維量子行走遠(yuǎn)離初始位置的速度更快，并且不太可能再回到初始點(diǎn)，這是二維量子行走和一維的一個很大的不同。并且，圖5（B）發(fā)現(xiàn)二維量子行走的實(shí)驗(yàn)和理論都符合相同的趨勢，這個趨勢是連續(xù)二維量子行走的顯著標(biāo)志。
圖5 | 量子行走復(fù)發(fā)屬性。（A）傳播長度和回到初始位置概率的關(guān)系。（B）Pólya參數(shù)和傳播長度的關(guān)系
過去 20 年里，增加絕對計算能力的方式通常是制備更多光子數(shù)的量子糾纏。中國一直在這方面保持優(yōu)勢，在 2017 年成功將光子數(shù)從 4 個提高到了 10 個，雖然創(chuàng)下了世界紀(jì)錄，但同時也發(fā)現(xiàn)增加光子數(shù)異常艱難。金賢敏團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復(fù)雜度來提升量子態(tài)空間尺度，開發(fā)了全新量子資源，對于未來模擬量子計算機(jī)的研發(fā)具有重要意義。另外，飛秒激光直寫技術(shù)可以像 3D 打印一樣制造可集成大規(guī)模光子線路的光量子芯片，更為往后相關(guān)架構(gòu)的量產(chǎn)與落地鋪平了道路。通過二維空間中的量子行走，開發(fā)者能夠?qū)⑻囟ㄓ嬎闳蝿?wù)對應(yīng)到量子演化空間中的相互耦合系數(shù)矩陣中，當(dāng)量子演化體系能夠制備得足夠大并且能靈活設(shè)計結(jié)構(gòu)時，可以用來實(shí)現(xiàn)工程、金融、生物醫(yī)藥等各領(lǐng)域中的各種搜索、優(yōu)化問題，展現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)的表現(xiàn)，應(yīng)用前景極為廣泛。但是，想要將量子行走真正運(yùn)用于模擬量子計算來展現(xiàn)量子算法優(yōu)越性，必須滿足兩個條件：足夠多的行走路徑，及可根據(jù)算法需求自由設(shè)計的演化空間。以往的量子行走實(shí)驗(yàn)受限于所能制備的物理體系的尺寸限制，只能做出幾小步演化的原理性演示，且從來不能在真正的空間二維體系中自由演化，遠(yuǎn)不足以用于模擬量子計算實(shí)驗(yàn)。金賢敏團(tuán)隊(duì)成功在具備龐大節(jié)點(diǎn)規(guī)模的系統(tǒng)中觀察到光量子的二維行走模式，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子行走不論在一維還是二維演化空間中，都具有區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)行走的彈道式傳輸特性（ballistic transport）。這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越經(jīng)典計算機(jī)的基礎(chǔ)。 金賢敏的研究成功推動光量子計算往實(shí)用化更靠近一步，加上光量子原本就具備高集成度與高穩(wěn)定性，不需要太復(fù)雜的設(shè)備來維持量子狀態(tài)，因此更易于用來建構(gòu)足夠復(fù)雜的量子計算機(jī)，然而，計算應(yīng)用不是指看硬件或芯片架構(gòu)本身，生態(tài)才是最重要的關(guān)鍵，在這方面不論是超導(dǎo)量子計算或光量子計算，皆遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)電腦等經(jīng)典計算機(jī)生態(tài)，因此仍須持續(xù)的投入與發(fā)展。
