把(ba)“命門”掌握(wo)在(zai)自(zi)己手中

    摩爾(er)定律提出(chu)后的半個多世紀，日趨走向瓶頸的集成技術加上(shang)更高算(suan)力的巨大(da)需求，一(yi)再(zai)將它推向終結。

    “電子(zi)(zi)芯片(pian)的集成度(du)已經到幾個納米級(ji)了，如果再到原子(zi)(zi)級(ji)就走到極限了，到那時，線路(lu)間的電子(zi)(zi)會(hui)互相干涉而不(bu)能正常工作，甚至散熱都將面臨極大挑(tiao)戰，但人類(lei)的計算能力不(bu)能停止。”上海交通大學物理(li)與天(tian)文學院教授金賢敏(min)正用光量子(zi)(zi)芯片(pian)，試探量子(zi)(zi)計算的邊界。

    近年來，他針對(dui)量子信息技術的特點(dian)進一(yi)步發(fa)展(zhan)了飛秒(miao)激光直寫技術，制備出世界(jie)最(zui)大規(gui)模的三維集成光量子芯(xin)片，并演(yan)示(shi)了首(shou)個真正空間二維的隨機行走量子計算。同時，他在此芯(xin)片中構(gou)建(jian)了大規(gui)模六(liu)方粘合樹，并通過這種高可擴(kuo)展(zhan)性(xing)結(jie)構(gou)演(yan)示(shi)了量子快(kuai)速到(dao)達算法(fa)內核，相比(bi)經典情形(xing)最(zui)優效率(lv)提高10倍。

    芯片化(hua)、集成化(hua)成量子信息技術熱點

    閃爍的激(ji)光不斷將光束投射在(zai)一張(zhang)透(tou)明(ming)基片上，很快(kuai)，一個(ge)刻有4800個(ge)光子(zi)回路的波導(dao)(dao)陣列，以肉眼看不到的精度成型。不久的將來(lai)，這種光量(liang)子(zi)芯片將載著一個(ge)或(huo)多個(ge)光子(zi)，在(zai)數萬個(ge)波導(dao)(dao)中“奔(ben)跑(pao)”，去證明(ming)量(liang)子(zi)計算的潛力(li)和能(neng)量(liang)。

    在上(shang)海(hai)交(jiao)通大學(xue)光(guang)子(zi)集(ji)成與量子(zi)信息實驗(yan)室(shi)，金賢(xian)敏正帶著(zhu)學(xue)生制備量子(zi)光(guang)學(xue)集(ji)成芯片。

    兩年來，他在(zai)南京大學陸延青教(jiao)授(shou)領銜的國(guo)家(jia)重點研發(fa)計劃“人(ren)工微結(jie)構中的量(liang)子、類量(liang)子效(xiao)應及(ji)功能(neng)集成光子芯片”項目(mu)中，承擔光量(liang)子芯片等(deng)領域的研究。

    金賢敏介紹，光量(liang)(liang)子芯(xin)(xin)片(pian)的(de)(de)研究從2008年左右在全球興(xing)起。目前，芯(xin)(xin)片(pian)化、集成(cheng)化已(yi)經(jing)成(cheng)為量(liang)(liang)子信息技術邁向實(shi)用化的(de)(de)研究熱點和戰略方向，牛津大學(xue)、布里斯托大學(xue)、羅馬大學(xue)、麻省理工學(xue)院(yuan)等名校已(yi)經(jing)開始(shi)在光量(liang)(liang)子芯(xin)(xin)片(pian)和量(liang)(liang)子計算(suan)等領域發(fa)力。

    不過，2014年(nian)金(jin)賢(xian)敏回(hui)國時，國內的(de)(de)(de)相關研究(jiu)剛起步。金(jin)賢(xian)敏整(zheng)整(zheng)想了(le)一年(nian)多，最(zui)終確定基于飛秒激光(guang)直寫(xie)的(de)(de)(de)三(san)維集(ji)成(cheng)光(guang)量(liang)(liang)子(zi)(zi)芯片(pian)的(de)(de)(de)研發，來解決量(liang)(liang)子(zi)(zi)系統的(de)(de)(de)物理可(ke)擴展(zhan)(zhan)(zhan)性(xing)瓶(ping)頸；同時，拓(tuo)展(zhan)(zhan)(zhan)由空到海的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)通信和量(liang)(liang)子(zi)(zi)探測的(de)(de)(de)探索，發展(zhan)(zhan)(zhan)可(ke)在室(shi)溫下運(yun)行的(de)(de)(de)寬帶(dai)量(liang)(liang)子(zi)(zi)存(cun)儲(chu)技術(shu)。

    不發表論(lun)文，沉寂4年(nian)攻(gong)克關(guan)鍵技術(shu)

    目前，國際上(shang)有關光(guang)量(liang)子芯片的(de)制備工藝涉及飛秒激(ji)光(guang)直寫、離子交(jiao)換、UV激(ji)光(guang)直寫以及硅基工藝等加工方式。

    “此前(qian)的(de)飛秒激光直寫(xie)技(ji)術(shu)主(zhu)要集(ji)(ji)中在構建二維光子(zi)線路(lu)上，但對于大算力(li)(li)的(de)光量(liang)子(zi)芯(xin)片(pian)來說，三維集(ji)(ji)成的(de)優勢更(geng)明顯，這可以讓芯(xin)片(pian)中的(de)量(liang)子(zi)系統復雜度更(geng)高(gao)、維度更(geng)大、節(jie)點更(geng)多，從而提高(gao)量(liang)子(zi)計(ji)算的(de)算力(li)(li)。”金賢敏表(biao)示(shi)，從2014年(nian)起，他開始(shi)帶領(ling)團(tuan)隊(dui)用飛秒激光直寫(xie)技(ji)術(shu)攻克三維集(ji)(ji)成技(ji)術(shu)。

    所(suo)謂飛秒(miao)激光(guang)直(zhi)寫(xie)，是在幾百飛秒(miao)時間(jian)(jian)內(nei)，將(jiang)一個(ge)脈沖的(de)(de)能量釋放在芯(xin)片基底的(de)(de)每(mei)個(ge)焦點附近，通(tong)過(guo)移動激光(guang)，在芯(xin)片中“寫(xie)”出光(guang)子(zi)線(xian)路。“因(yin)為(wei)激光(guang)脈沖非常短，直(zhi)寫(xie)時能量在幾百飛秒(miao)時間(jian)(jian)內(nei)被(bei)吸收，所(suo)以熱量還(huan)沒有來(lai)得(de)及散發就(jiu)以改變(bian)材(cai)料屬(shu)性的(de)(de)方式固化下來(lai)，我們(men)就(jiu)可(ke)以很平滑(hua)地(di)改變(bian)芯(xin)片內(nei)部的(de)(de)性質，形成高品質的(de)(de)光(guang)子(zi)線(xian)路。”金賢(xian)敏說。

    然而，激光匯聚(ju)到芯(xin)片(pian)中(zhong)，在不(bu)同(tong)的深度，被芯(xin)片(pian)吸收的程度不(bu)同(tong)，導致呈現不(bu)同(tong)的特性。為了將量子光信號束縛住，從2014年到2018年，金賢敏(min)和團隊成(cheng)員一起翻看(kan)文獻，研究復雜(za)的技術特點，不(bu)斷設計激光走向、編寫(xie)代(dai)碼、調整波(bo)導中(zhong)光束的折射率，生成(cheng)自己的“秘密配(pei)方”。

    由于(yu)(yu)面向光量子信息(xi)的(de)直(zhi)(zhi)寫(xie)技(ji)術和工藝完(wan)全自主研發，制備(bei)芯片的(de)效率也(ye)大(da)大(da)提高，“例如直(zhi)(zhi)寫(xie)單個陣(zhen)列(lie)2401根波導的(de)芯片，我(wo)們的(de)團(tuan)隊只需要1天，而(er)當時(shi)英(ying)國的(de)團(tuan)隊可能需要半(ban)年，而(er)且他們制備(bei)的(de)波導陣(zhen)列(lie)基本為二維，且波導數僅(jin)有幾百個。”此外，刻蝕(shi)后(hou)的(de)芯片，光子演化(hua)的(de)損耗能控(kong)制在0.16分(fen)貝/厘(li)米，低于(yu)(yu)國際(ji)平均水平的(de)0.2分(fen)貝/厘(li)米。

    這4年，金賢(xian)敏甘坐冷板凳，他沒有(you)急(ji)于(yu)(yu)發表(biao)論文，“只要(yao)(yao)不出(chu)差，在(zai)上海工作(zuo)時(shi)，有(you)三分之一(yi)的時(shi)間都會通宵(xiao)”。他說，在(zai)電(dian)子芯片(pian)時(shi)代，我國在(zai)芯片(pian)的制備和封(feng)裝等(deng)環(huan)節受制于(yu)(yu)人，而研發飛秒激光(guang)直(zhi)寫技術，正是(shi)要(yao)(yao)推動(dong)光(guang)量子芯片(pian)制備環(huan)節的突(tu)破(po)。

    光量子集成技術可用于(yu)制藥、成像、黑(hei)洞(dong)模擬

    在量子(zi)計(ji)算領域，量子(zi)行(xing)(xing)走是專用量子(zi)計(ji)算的(de)(de)重要(yao)內核。在光量子(zi)芯片(pian)實驗過(guo)程中(zhong)，金賢敏團隊設計(ji)的(de)(de)三(san)維波(bo)導陣(zhen)列實現了二維連續量子(zi)行(xing)(xing)走。量子(zi)達到至(zhi)少100多個行(xing)(xing)走步徑，突破了過(guo)去所有的(de)(de)量子(zi)行(xing)(xing)走實驗紀錄。

    “量子行走具有天然的(de)疊加(jia)態特性(xing)，到(dao)了二維(wei)空間(jian)，面對(dui)分(fen)叉選擇的(de)時候(hou)，量子可(ke)以(yi)從(cong)上下左(zuo)右四個方(fang)向同(tong)時走過(guo)去，效率(lv)大(da)(da)大(da)(da)提高。”金賢敏解釋，量子行走在粘(zhan)合(he)樹結構上“快速到(dao)達”的(de)優勢尤為突出(chu)(chu)。他和團隊巧妙提出(chu)(chu)了一種具有充(chong)分(fen)可(ke)擴展(zhan)性(xing)的(de)六方(fang)粘(zhan)合(he)樹結構，這種結構即使層數(shu)很大(da)(da)，都可(ke)以(yi)在芯片中(zhong)很好地用(yong)三維(wei)波導來(lai)實現。

    結果(guo)顯示，量子算法可實(shi)(shi)現(xian)約90%的最優到(dao)達(da)效率(lv)(lv)，最優演(yan)化長(chang)度約為25毫米(mi)。而(er)經典算法只(zhi)能緩慢地達(da)到(dao)最優演(yan)化情形(xing)，且(qie)最優到(dao)達(da)效率(lv)(lv)只(zhi)有6.25%。“有了基于三維(wei)集成光(guang)量子芯片(pian)的大規模量子演(yan)化系統，意味著研發各種專用光(guang)量子計算算法的實(shi)(shi)驗實(shi)(shi)現(xian)成為可能。”金賢敏說。

    有(you)研發可能(neng)性(xing)的(de)還(huan)不止在計算和(he)優化問(wen)題(ti)方面的(de)應用。金賢敏(min)表(biao)示，在光量(liang)子(zi)(zi)芯片中的(de)量(liang)子(zi)(zi)演化分布，未來(lai)還(huan)有(you)望用于黑(hei)洞模擬、量(liang)子(zi)(zi)人工智能(neng)、量(liang)子(zi)(zi)拓撲光子(zi)(zi)學、生(sheng)物醫藥及成像等學科(ke)的(de)綜合性(xing)研究。