把“命(ming)門”掌握在自己手中

    摩爾(er)定律提出后的半個(ge)多世紀(ji)，日趨走向瓶(ping)頸的集成技術(shu)加上更高算力的巨(ju)大需求，一再將它推(tui)向終結。

    “電(dian)子(zi)(zi)芯片(pian)的集成度已經到幾個納米級(ji)了(le)，如(ru)果再到原子(zi)(zi)級(ji)就(jiu)走到極限了(le)，到那時，線路間的電(dian)子(zi)(zi)會互相干涉而(er)不(bu)能(neng)正常工作，甚至散熱都將面臨極大挑戰，但人類的計算能(neng)力不(bu)能(neng)停止。”上(shang)海(hai)交(jiao)通大學物理與天文學院教授金賢敏正用(yong)光量子(zi)(zi)芯片(pian)，試探量子(zi)(zi)計算的邊界。

    近年來，他針對(dui)量子(zi)(zi)信息(xi)技術的(de)(de)特點(dian)進(jin)一(yi)步發(fa)展了飛(fei)秒激光直(zhi)寫技術，制(zhi)備出世界(jie)最大規(gui)模的(de)(de)三(san)維集成光量子(zi)(zi)芯片(pian)，并演(yan)(yan)示了首個(ge)真正空間二維的(de)(de)隨機(ji)行走量子(zi)(zi)計算。同時，他在(zai)此(ci)芯片(pian)中構(gou)建了大規(gui)模六方粘合樹，并通過這種高(gao)可擴展性(xing)結構(gou)演(yan)(yan)示了量子(zi)(zi)快(kuai)速到達算法內核(he)，相比經典情形(xing)最優效率提高(gao)10倍。

    芯片化、集(ji)成化成量子(zi)信息技術熱(re)點(dian)

    閃爍的激(ji)光(guang)(guang)不(bu)(bu)斷(duan)將(jiang)光(guang)(guang)束投射在一(yi)(yi)張(zhang)透明基片上，很(hen)快，一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)刻有4800個(ge)(ge)(ge)光(guang)(guang)子回路的波(bo)(bo)導陣列，以肉(rou)眼看(kan)不(bu)(bu)到的精度(du)成型。不(bu)(bu)久(jiu)的將(jiang)來，這種(zhong)光(guang)(guang)量子芯片將(jiang)載著一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)或多個(ge)(ge)(ge)光(guang)(guang)子，在數萬個(ge)(ge)(ge)波(bo)(bo)導中(zhong)“奔跑(pao)”，去證明量子計算的潛力和能量。

    在上海交通大學(xue)光(guang)子集成與量子信(xin)息實(shi)驗室，金賢敏正帶著學(xue)生制備量子光(guang)學(xue)集成芯片。

    兩年(nian)來(lai)，他(ta)在(zai)南京(jing)大學陸延青(qing)教授領(ling)銜的(de)國家重點(dian)研(yan)發(fa)計劃“人工(gong)微結(jie)構中的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)、類(lei)量(liang)(liang)子(zi)(zi)效應(ying)及功能集(ji)成光子(zi)(zi)芯片”項目中，承擔光量(liang)(liang)子(zi)(zi)芯片等領(ling)域的(de)研(yan)究。

    金賢(xian)敏(min)介紹，光量子芯(xin)片(pian)的研(yan)究從(cong)2008年左右在全球興起。目前(qian)，芯(xin)片(pian)化、集成化已經成為量子信(xin)息技術邁向實(shi)用化的研(yan)究熱點和(he)戰略方向，牛津(jin)大(da)(da)學(xue)、布里斯托大(da)(da)學(xue)、羅馬大(da)(da)學(xue)、麻省理工學(xue)院等名(ming)校已經開始在光量子芯(xin)片(pian)和(he)量子計算等領(ling)域發力。

    不過(guo)，2014年(nian)金賢敏回國(guo)時(shi)，國(guo)內(nei)的相關研究剛起步。金賢敏整整想了一年(nian)多，最終確(que)定(ding)基于(yu)飛秒激光直寫的三維集成光量(liang)子(zi)芯(xin)片(pian)的研發，來解(jie)決量(liang)子(zi)系統的物理可擴(kuo)展性瓶頸(jing)；同(tong)時(shi)，拓展由空到海的量(liang)子(zi)通信和量(liang)子(zi)探測的探索，發展可在室溫(wen)下運行的寬帶量(liang)子(zi)存儲技術。

    不發表論文，沉寂4年攻克(ke)關(guan)鍵技術(shu)

    目(mu)前，國際上有關光(guang)量子(zi)芯(xin)片的制備工(gong)藝(yi)涉及飛秒激光(guang)直寫、離子(zi)交換(huan)、UV激光(guang)直寫以及硅基工(gong)藝(yi)等(deng)加工(gong)方(fang)式。

    “此前的(de)飛秒(miao)激(ji)光直(zhi)(zhi)寫(xie)技術主要集(ji)中在構建二維光子(zi)(zi)線路上，但對于大算力的(de)光量子(zi)(zi)芯(xin)片來說，三(san)維集(ji)成的(de)優勢(shi)更(geng)明顯(xian)，這(zhe)可以讓芯(xin)片中的(de)量子(zi)(zi)系統復雜度更(geng)高、維度更(geng)大、節(jie)點更(geng)多(duo)，從而提高量子(zi)(zi)計(ji)算的(de)算力。”金(jin)賢敏表示，從2014年起(qi)，他開(kai)始帶領團隊(dui)用飛秒(miao)激(ji)光直(zhi)(zhi)寫(xie)技術攻(gong)克(ke)三(san)維集(ji)成技術。

    所(suo)謂飛秒(miao)(miao)激(ji)光(guang)直(zhi)寫(xie)(xie)，是(shi)在(zai)幾(ji)百(bai)飛秒(miao)(miao)時(shi)間(jian)內(nei)，將一(yi)個脈(mo)(mo)沖的能量(liang)釋放在(zai)芯片(pian)基(ji)底的每個焦點附(fu)近，通過移動(dong)激(ji)光(guang)，在(zai)芯片(pian)中“寫(xie)(xie)”出(chu)光(guang)子(zi)(zi)線路(lu)(lu)。“因為激(ji)光(guang)脈(mo)(mo)沖非常短(duan)，直(zhi)寫(xie)(xie)時(shi)能量(liang)在(zai)幾(ji)百(bai)飛秒(miao)(miao)時(shi)間(jian)內(nei)被(bei)吸(xi)收，所(suo)以(yi)熱量(liang)還沒(mei)有來得及散(san)發就(jiu)以(yi)改變(bian)材料(liao)屬性(xing)的方式固化下來，我(wo)們就(jiu)可以(yi)很平滑地改變(bian)芯片(pian)內(nei)部的性(xing)質，形成高品(pin)質的光(guang)子(zi)(zi)線路(lu)(lu)。”金(jin)賢敏(min)說。

    然而，激光匯聚到芯片中(zhong)，在不同的深度，被(bei)芯片吸(xi)收(shou)的程度不同，導(dao)致呈現不同的特(te)性(xing)。為了將量子光信(xin)號(hao)束縛住，從2014年到2018年，金賢(xian)敏和團隊(dui)成(cheng)員(yuan)一(yi)起翻(fan)看文(wen)獻，研究復雜的技術特(te)點，不斷設(she)計激光走向、編寫代(dai)碼(ma)、調整波(bo)導(dao)中(zhong)光束的折射(she)率，生成(cheng)自己的“秘密(mi)配方”。

    由于面向光量子信(xin)息(xi)的(de)(de)直寫(xie)技術和工藝完全自主研(yan)發，制備芯片(pian)(pian)的(de)(de)效率(lv)也大大提高，“例(li)如直寫(xie)單個(ge)陣列2401根波導的(de)(de)芯片(pian)(pian)，我(wo)們(men)的(de)(de)團隊(dui)只需(xu)要(yao)1天，而當時英國的(de)(de)團隊(dui)可能需(xu)要(yao)半年(nian)，而且他們(men)制備的(de)(de)波導陣列基本(ben)為二維(wei)，且波導數僅(jin)有幾百個(ge)。”此外，刻蝕后(hou)的(de)(de)芯片(pian)(pian)，光子演化的(de)(de)損耗能控制在0.16分貝/厘米(mi)，低于國際(ji)平均水平的(de)(de)0.2分貝/厘米(mi)。

    這4年，金賢敏甘坐冷板凳(deng)，他沒有急于發表(biao)論文(wen)，“只要(yao)不(bu)出差，在上海工(gong)作時(shi)，有三分(fen)之一的時(shi)間(jian)都會通宵”。他說(shuo)，在電子(zi)芯(xin)片(pian)時(shi)代，我(wo)國在芯(xin)片(pian)的制備(bei)(bei)和封裝等(deng)環節(jie)受制于人，而研發飛秒激(ji)光直(zhi)寫技術，正(zheng)是要(yao)推動光量(liang)子(zi)芯(xin)片(pian)制備(bei)(bei)環節(jie)的突(tu)破。

    光(guang)量子集(ji)成技(ji)術可用于制藥(yao)、成像、黑洞(dong)模(mo)擬

    在(zai)量(liang)子計算領(ling)域，量(liang)子行(xing)走是專用量(liang)子計算的(de)重要(yao)內核(he)。在(zai)光量(liang)子芯片實驗(yan)過(guo)程中，金賢敏團隊(dui)設計的(de)三維波導陣列實現了二(er)維連續量(liang)子行(xing)走。量(liang)子達到至少100多(duo)個行(xing)走步徑，突破了過(guo)去所有的(de)量(liang)子行(xing)走實驗(yan)紀錄(lu)。

    “量(liang)子(zi)(zi)(zi)行(xing)走(zou)(zou)具有(you)天然的(de)疊(die)加態特性(xing)，到(dao)了(le)(le)二(er)維(wei)空間，面(mian)對分叉選(xuan)擇的(de)時候，量(liang)子(zi)(zi)(zi)可以從上(shang)下左右(you)四個方向同時走(zou)(zou)過去，效率大(da)大(da)提高。”金(jin)賢敏解(jie)釋，量(liang)子(zi)(zi)(zi)行(xing)走(zou)(zou)在粘合(he)樹(shu)(shu)結構上(shang)“快速到(dao)達”的(de)優勢尤為突(tu)出。他(ta)和團隊巧妙提出了(le)(le)一種具有(you)充分可擴展性(xing)的(de)六方粘合(he)樹(shu)(shu)結構，這種結構即(ji)使(shi)層數很大(da)，都可以在芯片中很好地用三(san)維(wei)波導來實現(xian)。

    結果顯(xian)示，量(liang)子(zi)算(suan)法(fa)可(ke)實現約(yue)90%的(de)最優到(dao)(dao)達(da)效率(lv)，最優演(yan)化長度約(yue)為(wei)25毫米。而經(jing)典算(suan)法(fa)只能(neng)(neng)緩慢地達(da)到(dao)(dao)最優演(yan)化情形，且最優到(dao)(dao)達(da)效率(lv)只有(you)6.25%。“有(you)了基于三維集成(cheng)光(guang)量(liang)子(zi)芯片的(de)大規模量(liang)子(zi)演(yan)化系統，意(yi)味著研(yan)發各種專(zhuan)用光(guang)量(liang)子(zi)計算(suan)算(suan)法(fa)的(de)實驗(yan)實現成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)(neng)。”金賢敏說(shuo)。

    有研(yan)發可能(neng)性(xing)的還(huan)不止在計算和優(you)化問題(ti)方(fang)面的應用。金賢敏表示，在光量子(zi)芯片(pian)中的量子(zi)演化分布，未(wei)來(lai)還(huan)有望用于黑洞模擬、量子(zi)人(ren)工智能(neng)、量子(zi)拓撲光子(zi)學、生物醫(yi)藥及成像等學科的綜合性(xing)研(yan)究。