國科大推出可程式設計矽基光量子計算晶片，實作292個圖像的量子漫步模拟，研究登上Science

我國量子晶片再出重要成果。

繼潘建偉團隊的“九章”率領中國率先實作量子優越性後，根據新華社報道，國防科技大學計算機學院QUANTA團隊聯合軍事科學院、中山大學等國内外機關，研發出了新型可程式設計矽基光量子計算晶片，可實作多種圖論問題的量子算法求解，有望未來在大資料處理等領域獲得應用。

該研究論文以Implementing graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walk processor為名發表在了Science Advances上。

論文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/7/9/eabb8375

根據論文介紹，研究人員在292個不同圖像上，均實作了對100個量子漫步的時間步驟模拟，這為傳統上難處理的應用打開了通往大規模可程式設計量子步态處理器的道路。

這款新型晶片采用CMOS相容矽光子學方式制造，具備大規模生産潛力，未來或可用于實作量子資訊處理和量子模拟，為解決資料庫搜尋、圖同構問題提供量子加速。

量子漫步是什麼？它有啥優勢

等等！

量子計算機、量子計算晶片聽得還算多，這量子漫步又算是怎麼回事？

從概念上來說，量子漫步（Quantum Walk）是一種量子實體世界的獨特數學模型，是一類重要的量子計算模型，也是許多量子算法的重要核心。

不過，要了解量子漫步，可以把它和經典随機漫步（Random Walk）對比着來看。在經典随機漫步中，一個粒子是随機地繞着一個離散空間漫步。機關時間内，粒子每“漫步一步”的方向和位移由一個随機變量來刻畫，有一半機率向左，一半機率向右。

在量子世界中，由于由疊加（superposition）、量子幹涉（quantum interference）、糾纏（entanglement）等量子狀态的影響，粒子“漫步一次”的位移則具備着更多的可能性。換句話說，機關時間内，粒子不一定隻能往左或往右，它可能同時往左又往右。

也正是得益于量子漫步的這種可能性，其速度也遠遠快于經典随機漫步，同時還能夠加速模式識别、計算機視覺、網絡分析和導航、網站流量優化等方面的應用。

在這次的新型可程式設計矽基光量子計算晶片，也正是基于這種結構，科研人員采用矽基內建光學技術，設計實作了可程式設計光量子計算晶片。晶片上內建了糾纏光子源、可配置光學網絡等，通過電學調控片上元件實作對光量子态的操控，進而實作量子資訊的編碼和量子算法的映射，具有高內建度、高穩定性、高精确度等優勢。

通過對所研制光量子計算晶片的程式設計運作，示範了頂點搜尋、圖同構等圖論問題量子算法的求解。未來，随着晶片規模和光子數目的增加，晶片可支援實作的圖問題規模将快速增長。

在292個不同圖像上均實作了100個量子漫步的時間步驟模拟

讓我們回到論文，論文中表示，該可程式設計矽基光量子計算晶片尺寸為11×3平方毫米，主要由兩個部分組成：糾纏光子對的産生（entangled photon-pair generation）和通用線性光學變換（universal linear optical transformation）。

該晶片主要包括2個自發四波混合（SFWM）光子源，22個同時運作的熱光學移相器，32個多模幹涉儀分光器，和16個光栅耦合器（未顯示）。

通過對所研制光量子計算晶片的程式設計運作，研究人員還示範了頂點搜尋、圖同構等圖論問題量子算法的求解。結果顯示，研究人員借助該晶片，在292個不同圖像上均實作了100個量子漫步的時間步驟模拟。

基于量子漫步的GI算法的實驗示範

“這種方式提供了完全的可程式設計性和對量子漫步特性的控制，是以，其相比模拟系統具備更大的靈活性和性能。相比數字量子計算機，（基于可程式設計矽基光量子計算晶片的）量子計算機更可能在短期内實作。”

在實作較大規模應用方面，基于可程式設計矽基光量子計算晶片量子計算機的糾纏結構可以通過兩種方式擴大，一個是增加光學網絡的大小，另一個則可以通過使一個廣義P-partite糾纏光子态服從于廣網絡的P副本，來模拟具有可調粒子相關性的P-particle的量子漫步。

經典計算發展路徑之下，最為重要的硬體産品——傳統矽基晶片，日益面臨着半導體直徑逼近實體極限的問題。基于此，量子計算、革新晶片材料等研究方向成為一大熱門。

盡管傳統矽基晶片面臨着發展瓶頸，但作為代替方案的量子計算應用研究仍然處于初期階段。但是我們可以相信，在國防科技大學新型可程式設計矽基光量子計算晶片的帶領下，我國的量子計算技術在未來能夠快速落地應用。