把“命門”掌握在自己手中
摩爾定律提出后的半個多世紀，日趨走向瓶頸的集成技術加上更高算力的巨大需求，一再將它推向終結。
“電子芯片的集成度已經(jīng)到幾個納米級了，如果再到原子級就走到極限了，到那時，線路間的電子會互相干涉而不能正常工作，甚至散熱都將面臨極大挑戰(zhàn)，但人類的計算能力不能停止。”上海交通大學物理與天文學院教授金賢敏正用光量子芯片，試探量子計算的邊界。
近年來，他針對量子信息技術的特點進一步發(fā)展了飛秒激光直寫技術，制備出世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。同時，他在此芯片中構建了大規(guī)模六方粘合樹，并通過這種高可擴展性結構演示了量子快速到達算法內(nèi)核，相比經(jīng)典情形最優(yōu)效率提高10倍。
芯片化、集成化成量子信息技術熱點
閃爍的激光不斷將光束投射在一張透明基片上，很快，一個刻有4800個光子回路的波導陣列，以肉眼看不到的精度成型。不久的將來，這種光量子芯片將載著一個或多個光子，在數(shù)萬個波導中“奔跑”，去證明量子計算的潛力和能量。
在上海交通大學光子集成與量子信息實驗室，金賢敏正帶著學生制備量子光學集成芯片。
兩年來，他在南京大學陸延青教授領銜的國家重點研發(fā)計劃“人工微結構中的量子、類量子效應及功能集成光子芯片”項目中，承擔光量子芯片等領域的研究。
金賢敏介紹，光量子芯片的研究從2008年左右在全球興起。目前，芯片化、集成化已經(jīng)成為量子信息技術邁向?qū)嵱没难芯繜狳c和戰(zhàn)略方向，牛津大學、布里斯托大學、羅馬大學、麻省理工學院等名校已經(jīng)開始在光量子芯片和量子計算等領域發(fā)力。
不過，2014年金賢敏回國時，國內(nèi)的相關研究剛起步。金賢敏整整想了一年多，最終確定基于飛秒激光直寫的三維集成光量子芯片的研發(fā)，來解決量子系統(tǒng)的物理可擴展性瓶頸；同時，拓展由空到海的量子通信和量子探測的探索，發(fā)展可在室溫下運行的寬帶量子存儲技術。
不發(fā)表論文，沉寂4年攻克關鍵技術
目前，國際上有關光量子芯片的制備工藝涉及飛秒激光直寫、離子交換、UV激光直寫以及硅基工藝等加工方式。
“此前的飛秒激光直寫技術主要集中在構建二維光子線路上，但對于大算力的光量子芯片來說，三維集成的優(yōu)勢更明顯，這可以讓芯片中的量子系統(tǒng)復雜度更高、維度更大、節(jié)點更多，從而提高量子計算的算力。”金賢敏表示，從2014年起，他開始帶領團隊用飛秒激光直寫技術攻克三維集成技術。
所謂飛秒激光直寫，是在幾百飛秒時間內(nèi)，將一個脈沖的能量釋放在芯片基底的每個焦點附近，通過移動激光，在芯片中“寫”出光子線路。“因為激光脈沖非常短，直寫時能量在幾百飛秒時間內(nèi)被吸收，所以熱量還沒有來得及散發(fā)就以改變材料屬性的方式固化下來，我們就可以很平滑地改變芯片內(nèi)部的性質(zhì)，形成高品質(zhì)的光子線路。”金賢敏說。
然而，激光匯聚到芯片中，在不同的深度，被芯片吸收的程度不同，導致呈現(xiàn)不同的特性。為了將量子光信號束縛住，從2014年到2018年，金賢敏和團隊成員一起翻看文獻，研究復雜的技術特點，不斷設計激光走向、編寫代碼、調(diào)整波導中光束的折射率，生成自己的“秘密配方”。
由于面向光量子信息的直寫技術和工藝完全自主研發(fā)，制備芯片的效率也大大提高，“例如直寫單個陣列2401根波導的芯片，我們的團隊只需要1天，而當時英國的團隊可能需要半年，而且他們制備的波導陣列基本為二維，且波導數(shù)僅有幾百個。”此外，刻蝕后的芯片，光子演化的損耗能控制在0.16分貝/厘米，低于國際平均水平的0.2分貝/厘米。
這4年，金賢敏甘坐冷板凳，他沒有急于發(fā)表論文，“只要不出差，在上海工作時，有三分之一的時間都會通宵”。他說，在電子芯片時代，我國在芯片的制備和封裝等環(huán)節(jié)受制于人，而研發(fā)飛秒激光直寫技術，正是要推動光量子芯片制備環(huán)節(jié)的突破。
光量子集成技術可用于制藥、成像、黑洞模擬
在量子計算領域，量子行走是專用量子計算的重要內(nèi)核。在光量子芯片實驗過程中，金賢敏團隊設計的三維波導陣列實現(xiàn)了二維連續(xù)量子行走。量子達到至少100多個行走步徑，突破了過去所有的量子行走實驗紀錄。
“量子行走具有天然的疊加態(tài)特性，到了二維空間，面對分叉選擇的時候，量子可以從上下左右四個方向同時走過去，效率大大提高。”金賢敏解釋，量子行走在粘合樹結構上“快速到達”的優(yōu)勢尤為突出。他和團隊巧妙提出了一種具有充分可擴展性的六方粘合樹結構，這種結構即使層數(shù)很大，都可以在芯片中很好地用三維波導來實現(xiàn)。
結果顯示，量子算法可實現(xiàn)約90%的最優(yōu)到達效率，最優(yōu)演化長度約為25毫米。而經(jīng)典算法只能緩慢地達到最優(yōu)演化情形，且最優(yōu)到達效率只有6.25%。“有了基于三維集成光量子芯片的大規(guī)模量子演化系統(tǒng)，意味著研發(fā)各種專用光量子計算算法的實驗實現(xiàn)成為可能。”金賢敏說。
有研發(fā)可能性的還不止在計算和優(yōu)化問題方面的應用。金賢敏表示，在光量子芯片中的量子演化分布，未來還有望用于黑洞模擬、量子人工智能、量子拓撲光子學、生物醫(yī)藥及成像等學科的綜合性研究。