在小指甲蓋大小的芯片上構(gòu)建一座“光子城市”，中國科學(xué)家做到了！

物理學(xué)家開心地回應(yīng)：“沒錯！我們可以設(shè)計實驗，讓光子在特定的路徑上穿梭，就像在圖論中尋找最短路徑一樣。這樣，我們就能構(gòu)建出一座光子城市，并且創(chuàng)造出一種適用于光子運算的全新方案?！?/p>

于是，他們開始合作，將圖論的可視化功能和光量子計算的強大運算能力結(jié)合起來，創(chuàng)造出了一種“可任意編程的玻色采樣量子運算”方法，這種方法就像是為光子量身定做的光子交通網(wǎng)絡(luò)，讓它們以最高效的方式在光子城市中穿梭。

玻色采樣量子運算：

錯綜復(fù)雜的光子交通網(wǎng)絡(luò)

“玻色采樣量子運算”聽起來可能有些復(fù)雜，但實際上它是一種量子計算模型，旨在展示量子計算機在處理某些特定問題時，相較于經(jīng)典計算機，具有顯著的優(yōu)越性。

具體來說，玻色采樣量子運算涉及將多個光子（一種玻色子）送入一個線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，這些光子在網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生量子干涉。為了測量這些光子在光子網(wǎng)絡(luò)中的輸出概率分布，我們使用單光子探測器來檢測輸出端口的光子分布情況。

需要注意的是，玻色采樣量子運算的輸出結(jié)果具有高度的隨機性，并且隨著光子數(shù)量的增加，計算輸出的概率分布變得極其復(fù)雜，這使得經(jīng)典計算機模擬玻色采樣過程變得極其困難，這種難度隨著光子數(shù)量的增加呈指數(shù)級增長，相比之下，量子計算機能夠更高效地處理這類任務(wù)。

光量子芯片“博雅一號”光子網(wǎng)絡(luò)示意圖。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

為了更直觀地理解“可任意編程的玻色采樣量子運算”，我們可以將其想象成在構(gòu)建一個微小而復(fù)雜的光子交通網(wǎng)絡(luò)，類似于城市交通系統(tǒng)，但這是專為光子設(shè)計的。

在這個光子交通網(wǎng)絡(luò)中，光源就像是一座特殊的汽運總站，它們發(fā)出小汽車一般的光子，這些“光子小汽車”彼此之間可以實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，這些光源連接著一個錯綜復(fù)雜的光子交通網(wǎng)絡(luò)，“光子小汽車”可以在其中自由穿梭。

可任意編程的“玻色采樣量子運算”允許我們根據(jù)計算需求，任意規(guī)劃“光子小汽車”的行駛路徑，優(yōu)化光子交通網(wǎng)絡(luò)，這就像是在光子城市中尋找從點 A 到點 B 的最佳路線。此外，科學(xué)家們還可以測量這個光子交通網(wǎng)絡(luò)的特定屬性，這類似于在計算，一個復(fù)雜的光子城市網(wǎng)絡(luò)中有多少種方式可以讓每輛“光子小汽車”找到停車位。

因此，基于圖論的光量子計算實驗實際上是利用圖論來設(shè)計和理解這個“光子城市”。圖論就像交通地圖一樣，幫助我們理解“光子城市”的交通，同時也幫助科學(xué)家設(shè)計和預(yù)測光子在交通網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜行為。

芯片上的“光子城市”

2022 年諾貝爾物理學(xué)獎得主之一、奧地利科學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）教授，提出了一個將圖論和量子光學(xué)系統(tǒng)緊密結(jié)合的理論架構(gòu)。在這個架構(gòu)中，科學(xué)家能夠使用圖論的可視化特性和數(shù)學(xué)工具詳細(xì)描述光量子實驗的計算過程，并探索全新的量子現(xiàn)象。

光量子計算網(wǎng)絡(luò)與圖論的對應(yīng)關(guān)系。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

為了驗證這一理論，北京大學(xué)王劍威研究員和龔旗煌教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊及合作者在光量子芯片中真正地構(gòu)建了一個“光子城市”，而這塊光量子芯片大約只有小指甲蓋那么大。在這個“光子城市”中，約有 2500 個精密的光學(xué)元件，并且成功實現(xiàn)了基于圖論的光量子計算和信息處理。

此外，科學(xué)家們還克服了大規(guī)模光量子芯片設(shè)計、制造、控制和實驗測量的挑戰(zhàn)，發(fā)展了大規(guī)模集成光量子芯片的制作技術(shù)和量子調(diào)控方法。這些研究成果表明，科學(xué)家們未來能夠批量生產(chǎn)這樣的“光子城市”，并根據(jù)特定的計算需求定制光子的交通網(wǎng)絡(luò)。

值得一提的是，科學(xué)家們還在光量子芯片中創(chuàng)造了一種特殊的光子狀態(tài)，稱為“高維度的量子糾纏態(tài)”，這就像將普通的“光子小汽車”升級為雙層或多層的“光子超級巴士”，極大地擴(kuò)展了光子在傳輸過程中的信息維度。這些“光子超級巴士”同樣也能通過共享彼此之間的量子糾纏態(tài)，實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。

“博雅一號”：為光量子計算帶來更多可能

正如前文所講，在“博雅一號”光量子芯片上，科學(xué)家們?nèi)〉昧孙@著的成就：他們不僅成功制備了多光子高維度量子糾纏態(tài)，還實現(xiàn)了對其的精確控制、測量和驗證。這些成果在圖論的統(tǒng)一框架下得到了驗證，證明了該光量子芯片能夠高效執(zhí)行圖論相關(guān)的量子信息處理和量子計算任務(wù)。

這意味著我們向基于圖論的大規(guī)模集成光量子計算芯片邁出了重要一步。它不僅展示了在微觀尺度上對光子進(jìn)行精確控制的能力，還證明了進(jìn)行大規(guī)模集成量子光學(xué)實驗的可行性。這些成就不僅具有深遠(yuǎn)的科研意義，更為量子技術(shù)的商業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

Bao J, Fu Z, Pramanik T, et al. Very-large-scale integrated quantum graph photonics[J]. Nature Photonics, 2023, 17(7): 573-581.

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出品丨科普中國

作者丨欒春陽 清華大學(xué)物理系博士

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨董娜娜

審校丨徐來 林林

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