陈根：可编程的硅光子器件，以助量子技术突破物理极限

文/陈根

在经典计算发展路径之下，传统硅基芯片作为最重要的硬件产品，面临着晶体管直径逼近物理极限的问题。基于此，量子计算的发展一直被寄予厚望。

然而，现阶段的量子技术，受制于量子比特数目少、有效量子操作深度浅等问题，在 “带着镣铐跳舞” 的情况下，如何最大化利用量子资源、并设计出搭载量子算法的、可编程的有实用价值的量子装置，成为量子领域翘首以盼的事情。

近日，由强晓刚团队研发的可编程硅基光量子计算芯片则宣布打破了这一困境。

益于丰富的可能性，量子行走可以应用于广泛的模式识别，如计算机视觉,网络分析和导航以及网站流量优化等方面。但是，多数研究中的平面器件受到无源底层光子电路布局的限制，需要额外地修改电路，以观测量子行走参数的不同变化。

而这款新研发可编程硅基光量子计算芯片具有完全可编程性和其单片集成固有的亚波长稳定性，能够在单个器件上实验地实现数百个基于量子行走算法的图同构。

另外，通过利用纠缠驱动方案，可以在一个器件中完全控制所有这些性质的量子游动，实现纠缠双光子在任意五顶点图上的量子游动的可能性，具有连续可调的粒子交换对称性和不可分辨性。

并且，该器件可以应用于搜索图中的顶点和测试图同构的量子漫步算法。在实验过程中，其完成了在 292 个不同图形上均已实现 100 个量子行走的时间步骤模拟，从而为大规模的、可编程的量子漫步处理器的经典难题应用开辟了道路。

该芯片的尺寸为 11×3 平方毫米，芯片上包含纠缠光子源、可配置光学网络等部分，使用电学调控片上元件，即可对光量子态进行操控，这样便可实现量子信息的编码、以及量子算法的映射。

概括来说，该芯片具有高集成度、高稳定性、高精确度等优势。当然，尽管此次可编程硅基光量子计算芯片在量子行走模拟中依然存在误差问题，但这也为其进一步发展提供了进路，可以预见，在未来，器件优化设计与算法智能模拟的结合将最大程度的提升其芯片精度，相关应用的落地也指日可待。