军科院开发新型可编程光量子计算芯片——实现量子行走全要素调控

“我刚到英国读博时，就决定将来回国，在全球量子技术发展中，中国已经占有一席之地，从十四五规划来看，中国量子技术也迎来了最好的时候。”

说到四年前决定回国，34 岁的军事科学院国防科技创新研究院研究员强晓刚告诉 DeepTech。2021 年 2 月 26 日，强晓刚以一作及通信身份发表 Science 子刊的论文，打破了光量子计算机无法编程的质疑，展示了光量子计算的实用化潜力。在该研究中，他和国防科大、中山大学等合作团队研发出一款可编程硅基光量子计算芯片。图 | 可编程量子行走光量子芯片概念图（来源：受访者）据悉，该芯片有望快速实现量子计算技术在数据库搜索、图同构问题等场景中的落地应用。这也是从英国布里斯托大学学成回国后，强晓刚的第二项标志性研究。图 | 所使用的多粒子模拟方案的示意图、光子装置和实验设置（来源：受访者）使用该芯片，强晓刚在 292 个不同图形上均已实现 100 个量子行走的时间步骤模拟，为验证芯片的可编程性他和团队做了三万多次实验。和常见芯片相似的是，制备方式也采用 CMOS 兼容硅光子学的方式，未来有望实现大规模生产。相关论文已发表在 Science Advances 上，论文标题为《在硅光子量子行走处理器上实现图论问题的量子算法求解》（Implementing graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walk processor）。图 | 相关论文（来源：Science Advances）

量子行走：向左向右都可以

现阶段的量子技术，依然受制于量子比特数目少、有效量子操作深度浅等问题。在 “带着镣铐跳舞” 的情况下，如何最大化利用量子资源、并设计出搭载量子算法的、可编程的有实用价值的量子装置，一直是该领域翘首以盼的事情。而本次强晓刚的成果，正是一款有实用潜力量子装置。要想弄明白这款可编程硅基光量子计算芯片，先要理解量子行走（Quantum Walk），它对应着经典随机行走，比后者拥有更丰富的可能性。图 | 利用相关粒子进行量子行走的实验模拟（来源：Science Advances）

强晓刚举例称，经典随机行走好比一个醉汉走路，即无规则行走的路径。具体来说，在经典随机行走中，一个粒子围绕着一个离散空间随机行走，每行走一步它的方向和位移，都可用一个随机变量来标注，因为是随机的，所以该粒子是向左还是向右，均有一半的概率。而在量子行走时，由于粒子会受到量子叠加、量子干涉等性质的影响，因此在单位时间内，粒子存在既往左、又往右的可能性。在量子世界中，由于粒子遵循量子叠加、量子干涉等量子物理规律，粒子每 “行走一次” 的位移，具备着更多可能性。这种特性让量子行走的速度，可以远高于经典随机行走，也使得它在加速模式识别、计算机视觉、网络分析和导航等方面具有巨大潜力。例如，量子行走可用于判断两个图形是否具有相同的结构、以及分析图形之间的相似性。之前有研究人员使用集成波导阵列，实现多光子的量子行走；还有研究实现了量子行走的仿真模拟。但很多研究中的量子行走实验，受限于器件本身的光子线路结构，往往需要光子线路结构允许动态修改，才能观测到不同参数量子行走的变化。图 | 基于量子行走的搜索的实验演示（来源：Science Advances）

完全可编程的硅光子器件：可实现量子行走全要素操控

而强晓刚的可编程硅基光量子芯片，除了可以模拟关联粒子的量子行走动力学，还能全面调控哈密顿量、演化时间、粒子全同性、粒子交换对称性等所有量子行走的重要参数。因此，基于该芯片的量子行走专用计算机有望在短期内诞生。据悉，该芯片的尺寸为 11×3 平方毫米，芯片上包含纠缠光子源、可配置光学网络等部分，使用电学调控片上元件，即可对光量子态进行操控，这样便可实现量子信息的编码、以及量子算法的映射。概括来说，该芯片具有高集成度、高稳定性、高精确度等优势。在功能演示上，强晓刚对该芯片进行编程运行，展示了顶点搜索、图同构等图论问题的量子算法求解。为了展示搭载该芯片的量子计算机的大规模应用能力，他列举了两种方式：第一种是增加可配置光学网络大小，不断扩大单个光子的量子行走规模；第二种是使用包含更多光子的多光子纠缠态与更多个可配置光学网络，进而实现参数可调的多粒子量子行走。图 | 基于量子行走的 GI （Graph Isomorphism，图同构）算法的实验演示（来源：Science Advances）

用 CMOS 兼容硅光子学方法制造

在制造工艺方面，该芯片的设计和加工基于绝缘体上硅（SOI）材料平台，其中晶圆的顶硅厚度为 220nm、二氧化硅掩埋层厚度为 2μm，具体制备步骤如下：

第一步，利用电子束曝光机（EBL）和感应耦合等离子体刻蚀机（ICP），加工刻蚀出深度为 70nm 的浅刻蚀光栅；第二步，用 EBL 和 ICP 在 SOI 晶圆上套刻出波导结构；第三步，用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方式将厚度为 1.5μm 的二氧化硅覆盖在芯片表面，二氧化硅上覆盖层主要用于隔离硅波导结构和微加热器，目的是在尽量不影响加热效果的前提下，避免由微加热器的存在引入额外光学损耗，因此需要将覆盖层厚度降低到 0.9μm 并对其表面进行抛光；第四步，用标准的紫外光刻、金属沉积和剥离工艺将 150nm 厚的镍铬合金电极和 250nm 厚的金焊盘沉积到芯片上，最后将芯片从晶圆上切割下来，并通过打线连接至电路板。

对于该芯片的重要性，强晓刚总结称：

“该芯片首次实现了对量子行走演化时间、哈密顿量、粒子全同性及交换特性等要素的完全可编程调控，从而支持实现多种基于量子行走模型的量子算法应用。”

论文审稿人则评价称：“这是第一次用可编程光量子处理器来产生量子行走演化的输出概率分布，也是可编程量子处理器的杰出典范，研究中的大量数据和实验也令人印象非常深刻。”

中国量子计算发展迎来最好的时候

一直以来，人们都在寻找传统硅基芯片的替代品，因此可编程硅基光量子计算芯片也是被寄予厚望的一款芯片，不过该芯片在量子行走模拟中依然存在误差问题。未来，强晓刚将结合器件优化设计与算法智能模拟来提升芯片精度，来让量子行走模拟更准确。此外，他也会努力降低芯片制备成本，这样便可加速应用落地。2018 年，他曾以一作身份，在 Nature Photonics 发表了题为《大规模硅光量子芯片实现任意两比特量子信息处理》“Large-scale silicon quantum photonics implementing arbitrary two-qubit processing” 的论文。图 | 2018 年相关论文（来源：Nature Photonics）在当时的研究中，他研发出了光量子处理器，它可用于通用两量子比特的量子计算，能产生和操控用光子编码的两个量子比特。时隔不到三年，他的本次研究再次展示了量子和芯片的结合。这也要从他的多学科学习背景说起，强晓刚是陕西人，本科以全省高考理科应届生第一名考入北京大学电子学系；读研时，南下长沙国防科大学习计算机科学与技术；读博时，来到英国布里斯托大学读物理学。图 | 强晓刚（来源：受访者）博士期间师从布里斯托大学教授 Jeremy O’Brien，后者也是国际上集成光学量子信息领域的开创者。从研究生开始研究量子行走算法，到如今让算法在芯片上得到初步展示，已经过去了将近十年。他告诉 DeepTech，由于本硕博都是不同专业，确实在一开始会遇到一些困难，但开始研究光量子芯片时，交叉学科的背景反而提供了一定优势。而且，当前的国内外趋势，也让他看到了量子技术的未来。图 | 量子物理学相关示意图（来源：Pixabay）3 月 13 日发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》提到 “

要瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学等前沿领域，

实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目”。量子信息被放到第二位，足以说明中国对其重视程度。此外，教育部也新增了量子信息科学专业。图 | 十四五规划相关文件截图当个人专业和国家需要相契合，既能报效国家、也能自我实现。2020 年，强晓刚被评为军事科学院的 “最美军科人”，他说自己要 “做一名量子科技之路的坚定奋斗者”。