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(gè)真正空間二維的連續(xù)時(shí)間隨機(jī)行走量子計(jì)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(jì)算芯片，這對(duì)于推動(dòng)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(jì)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(jì)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(hào)來實(shí)現(xiàn)，其次，光學(xué)量子計(jì)算主要以光子的偏振自由度、角動(dòng)量等作為量子比特的變化量測對(duì)象，而超導(dǎo)量子計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)單純。光量子計(jì)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(jì)算方面，要比傳統(tǒng)量子計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)的光量子計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)算領(lǐng)域，中國不需要喊彎道超車這個(gè)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(jì)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?jì)算機(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(jì)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(dòng)的研究論文。在那之后一個(gè)世紀(jì)，關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)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(gè)關(guān)于經(jīng)典隨機(jī)行走的簡單的例子： 以一個(gè)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(gè)格點(diǎn)，每個(gè)格點(diǎn)都用一個(gè)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(gè)格點(diǎn)上，同時(shí)假設(shè)我們初始時(shí)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(shí)，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(jì)算行走者處在每個(gè)格點(diǎn)上的概率（圖1(b)）。當(dāng)然，我們也可以選擇兩個(gè)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(gè)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)�？梢钥闯�，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(shí)，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(jì)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(shí)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(cuò)，相比通用量子計(jì)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(duì)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(gè)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(duì)手，那么它的維度必須要大于一。而對(duì)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(huì)更高。
雖然后來在光纖系統(tǒng)中，科學(xué)家通過動(dòng)態(tài)調(diào)整兩個(gè)“行走者的間距”實(shí)現(xiàn)了二維離散時(shí)間量子行走，但這種二維量子行走更象是用兩個(gè)一維空間的行走者來代表一個(gè)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(gè)波導(dǎo)耦合另一個(gè)波導(dǎo)示意圖。(d) 垂直和平行方向，兩個(gè)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(gè)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(gè)二維陣列中，每個(gè)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(duì)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(duì)角元位置。對(duì)于圖中的五組理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，計(jì)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(duì)應(yīng)兩個(gè)維度，z軸為對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(huì)減少，但會(huì)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(gè)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(gè)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(duì)計(jì)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(gè)提高到了 10 個(gè)，雖然創(chuàng)下了世界紀(jì)錄，但同時(shí)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(duì)于未來模擬量子計(jì)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?jì)算任務(wù)對(duì)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(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jì)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(jì)算來展現(xiàn)量子算法優(yōu)越性，必須滿足兩個(gè)條件：足夠多的行走路徑，及可根據(jù)算法需求自由設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。 金賢敏的研究成功推動(dòng)光量子計(jì)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(jì)算機(jī)，然而，計(jì)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(jì)算或光量子計(jì)算，皆遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)電腦等經(jīng)典計(jì)算機(jī)生態(tài)，因此仍須持續(xù)的投入與發(fā)展。
