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我國光量子芯片技術從跟跑轉向并跑

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我國光量子芯片技術從跟跑轉向并跑



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 ， 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展了飛秒激光直寫技術 ， 制備出世界最大規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核 ， 相比經典情形最優效率提高10倍 。
芯片化、集成化成量子信息技術熱點
【我國光量子芯片技術從跟跑轉向并跑】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、集成化已經成為量子信息技術邁向實用化的研究熱點和戰略方向 ， 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開始在光量子芯片和量子計算等領域發力 。
不過 ， 2014年金賢敏回國時 ， 國內的相關研究剛起步 。 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 ， 來解決量子系統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 ， 發展可在室溫下運行的寬帶量子存儲技術 。
不發表論文 ， 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 ， 三維集成的優勢更明顯 ， 這可以讓芯片中的量子系統復雜度更高、維度更大、節點更多 ， 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 ， 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被吸收 ， 所以熱量還沒有來得及散發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部的性質 ， 形成高品質的光子線路 。 ”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、調整波導中光束的折射率 ， 生成自己的“秘密配方” 。

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