中国集成光量子芯片，新突破

中国科研团队成功实现全球首例基于集成光量子芯片的“连续变量”量子纠缠簇态，相关研究成果于20日在《自然》杂志发布。专家指出，这一突破性成果填补了采用连续变量编码方式的光量子芯片关键技术空白，也为光量子芯片的大规模扩展及其在量子计算、量子网络等领域的应用奠定了重要基础。

集成光量子芯片是一种能在微纳尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息的先进平台。如何在光量子芯片上实现大规模量子纠缠是国际量子研究难题。

《自然》杂志审稿人评价称：“这项工作首次在光量子芯片上实现多比特的连续变量量子纠缠，是可扩展光量子信息处理的重要里程碑。”

“量子纠缠簇态作为一种多比特量子纠缠态，是量子信息科学的核心资源，也一直是国际科学界竞相攻克的重点方向。但长期以来，其确定性、大规模制备面临着巨大实验困难，尤其连续变量簇态的光量子芯片的制备和验证技术在国际上仍是空白。”论文通讯作者、北京大学物理学院教授王剑威说。

由北京大学和山西大学专家组成的研究团队，经多年科研攻关，成功攻克关键技术瓶颈，创新性发展了连续变量光量子芯片调控、多色相干泵浦与探测技术，实现了确定性、可重构的纠缠簇态制备，并对簇态纠缠结构进行严格的实验验证。

王剑威介绍，量子比特可分别通过离散变量编码、连续变量编码方式在光量子芯片上实现。为制备出具有超高保真度的量子比特，以往通常采用基于单光子的离散变量编码方式，但该方法的成功率随量子比特数增加呈指数下降。

为此，团队采用基于光场的连续变量编码方式，破解了制备量子比特和量子纠缠的“概率”难题，首次实现了量子纠缠簇态在芯片上的“确定性”产生。

此前，该团队还研制出一款集成约2500个元器件的超大规模光量子芯片，并实现了基于图论的光量子计算和信息处理功能，为量子计算机研制提供一种可扩展、可编程、高稳定的量子芯片内核。

近年来，中国的量子计算与量子通信正加快走向实用化，相关成果与应用不断涌现。

“这是我国科学家在集成光量子芯片技术领域取得的新突破。”中国科学院院士龚旗煌表示，这一原创成果为大规模量子纠缠态的制备与操控提供了全新的技术路径，对推动量子计算、量子网络和量子模拟等领域的实用化发展具有重要意义。

为什么说光量子计算是面向未来的计算范式？

目前的算力主要是由电子芯片提供，电子芯片是基于电子器件的集成电路，通过电子器件内的电子流来实现信号的传输和处理。过去几十年电子芯片的发展一直大体符合摩尔定律预测，即集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍，也就是说芯片的性能大概会2年翻一倍。

但随着人工智能技术的发展，对于算力需求的增长速度已超过摩尔定律的预测，有报告称，人工智能所需的计算能力每三个月就会翻一番，电子芯片已经难以满足人工智能发展的算力需求，需要新的架构来提升算力。

光量子计算是没有明显短板的量子计算技术路径：制造技术上，光量子芯片可以迁移使用成熟的半导体技术进行制造生产；环境要求上，光子产生热量少，能耗低，对低温环境的要求相对宽松；连通性上可使用传统光纤实现互联。

业内人士表示：“我们认为光量子芯片是突破算力困境的颠覆式技术路线。达到通用量子计算也许需要10年或更久，实现专用量子计算的落地应用可能仅仅需要3-5年，而光连接、量子安全的产业爆发可能就在这一两年出现。”