博雅一号！北大团队实现超大规模集成的图论「光量子计算芯片」

光子盒 2023-11-30

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来源：中国光学

量子计算通过利用量子物理原理来实现信息的处理与计算，有望在化学模拟、新材料设计、优化搜索、密码破译等方面发挥巨大价值。量子计算机正在经历一个从分立器件到芯片集成化的过程。

集成光量子芯片通过利用半导体制造技术加工出微纳尺度、大规模集成的高性能量子器件，实现芯片上光量子态的高效制备、操控和探测等功能。集成光量子芯片具有高稳定、强可控和易扩展的特点，为量子计算技术从实验室走向实际应用提供关键使能技术。

2017年，诺贝尔物理奖得主、维也纳大学Aton Zeilinger教授团队提出了一种数学图论和量子光学实验之间的密切对应关系。在此架构中，图不仅可以用来描述几乎所有已知的基于非线性参量光源和线性光学的光量子模块、器件、系统和装置，还可以用来发现新型复杂量子纠缠态、量子逻辑门操控和量子计算资源。

基于图论的量子光学实验难度非常大，需要大量的光学相位稳定、光学路径和空间模式匹配、非线性晶体和线性器件的协同、以及多过程量子干涉调控等。如果在空间体块光学体上实现该图论光量子信息系统，存在实验复杂度高、调控难度大、编程重构难和扩展困难等问题。

近日，北京大学王剑威研究员、龚旗煌院士课题组与中国科学院微电子研究所杨妍研究员、浙江大学戴道锌教授、丹麦科技大学丁运鸿研究员等团队合作，经过6年的联合攻关，实现了基于超大规模集成硅基光子学的图论光量子计算芯片——“博雅一号”。

该团队克服了大规模光量子芯片设计、加工、调控和测量的诸多难题，实现了一款集成约2500个元器件的超大规模图论光量子芯片，实现了面向通用型量子计算的多光子高维量子纠缠制备，以及编程玻色取样专用型量子计算。

该成果发表在Nature Photonics，题为“Very-large-scale integrated quantum graph photonics”。北京大学博士研究生包觉明、傅兆瑢、Tanumoy Pramanik（博士后）、茆峻和池昱霖为文章共同第一作者，中国科学院微电子研究所杨妍研究员、浙江大学戴道锌教授、丹麦科技大学丁运鸿研究员与北京大学王剑威研究员为共同通讯作者。

该团队设计的图论光量子芯片结构示意图如图1所示，实现了量子芯片与复数图的完全一一对应，图的边对应关联光子对源，图的顶点对应光子源到探测器的路径，芯片输出的光子符合计数对应于图的完美匹配数。边的振幅、相位均通过片上器件任意设置、顶点间的边连接方式通过线性可重构网络进行编程设置。通过多路径/多过程量子信息抹除的方式，实现了图论光量子芯片的全局量子相干性。通过编程该图论光量子芯片可任意重构八顶点无向复图，并执行与图对应的量子信息处理和量子计算任务。

图1：基于超大规模集成的图论光量子芯片结构示意图

团队发展出了基于互补金属氧化物半导体工艺（CMOS）的晶圆级大规模集成硅基光量子芯片制备技术和量子调控方法，通过优化设计光量子基本元器件（包括分束器、波导交叉器、干涉仪、光纤和芯片耦合器等）、优化波导器件加工工艺和芯片封装工艺，实现了低损耗的大规模集成硅基光量子芯片，并实现200通道以上相位精确操控及其量子态精确调控。该芯片单片集成了约2500个元器件，包括32个四波混频参量量子光源，以及200通道可编程移相器等器件，为目前国际上最大规模集成的光量子芯片。

图2：“博雅一号”图论光量子计算芯片的8英寸晶圆实物图

量子纠缠是研究量子基础物理和量子计算前沿应用的核心资源。北京大学团队前期在硅基光量子芯片上先后已实现了高维度EPR纠缠态【Science 360, 285 (2018)】、多光子GHZ纠缠态【Nature Physics 16, 148 (2020)】、多比特图纠缠态【Nature Physics 17, 1137 (2021)】。然而，如何在芯片上制备多光子且高维度的量子纠缠态，一直存在诸多理论和实验挑战。

团队利用该图论光量子芯片，首次在芯片上实现了多光子且高维度的量子纠缠态的制备、操控、测量和纠缠验证，实现了四光子三维纠缠态GHZ真纠缠态。并在图论统一架构下，在单一芯片上编程实现了多种重要量子纠缠态，包括多比特GHZ态、高维度EPR态、多光子高维GHZ态和W纠缠态。多光子高维纠缠可为高维通用型量子计算提供关键资源态。

图3：面向通用量子计算的多光子高维度量子纠缠制备

北京大学团队在前期工作中实现了玻色取样专用型光量子计算芯片，但尚未实现可编程重构能力【Nature Physics 15, 925 (2019)】。可编程可重构能力是利用玻色取样量子计算机求解具体实际问题的基础。在本项工作中，研究团队通过可编程重构图论光量子芯片，精准实现了二部图和任意图的芯片上配置，实现了可任意编程的触发玻色取样和高斯玻色取样量子计算功能。

图论光量子芯片的实验结果给出了单向复数图的完美匹配数，分别对应于二部图和任意图的伴随矩阵的Permanent和Hafnian函数模方分布。基于图论的可编程玻色取样专用型量子计算芯片有望为化学分子模拟、图优化求解、量子辅助机器学习等提供有效解决方案。

图4：基于图论的可任意编程玻色取样专用型量子计算

量子计算未来发展趋势之一是实现片上量子计算优势并解决具体实际问题。这一目标要求光量子计算芯片不仅具备强可编程性、还需要达到量子计算优势的光子数。通过发展高性能量子光源、低损耗量子线路以及高效率单光子探测器等核心器件，有望实现具备量子计算优势的可编程图论光量子计算芯片。

大规模集成的图论光量子计算芯片，在硬件层面具备了晶圆级芯片加工能力，在架构层面可充分利用图的高度可视化功能和强大数学工具包。软硬相互结合的图论光量子芯片有望为光量子信息技术的发展提供了一种多功能新型量子实验平台。

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