研究背景
晶片近年來，關於通用量子計算機的新聞屢屢見於報端，IBM（國際商用機器）、谷歌和英特爾等公司競相宣告實現了更高的量子比特數紀錄，但幾十個甚至更多的量子比特數，若無法全互連、精度不夠且難以糾錯，通用量子計算依然難以實現。與之相比，模擬量子計算可以直接構建量子系統，無需依賴複雜量子糾錯。作為模擬量子計算的一個強大算法核心，二維空間中的量子行走，能夠將特定計算任務對應到量子演化空間中的相互耦合係數矩陣中。當量子演化體系能夠製備得足夠大並且能靈活設計結構時，可以用來實現許多算法和計算任務，展現出遠優於傳統計算機的表現。
技術創新
上海交大金賢敏團隊通過飛秒雷射直寫技術製備了節點數多達49×49的三維光量子計算晶片。這種世界最大規模的光量子計算晶片，使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實驗中首次實現，並將促進未來更多以量子行走為核心的量子算法的實現。
《基於光子晶片的二維量子行走實驗研究》的論文顯示，研究人員通過發展高亮度單光子源和高時空分辨的單光子成像技術，直接觀察了光量子的二維行走模式輸出結果。實驗驗證量子行走不論在一維還是二維演化空間中，都具有區別於經典隨機行走的彈道式傳輸特性。這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越傳統計算機的基礎。曾有理論指出瞬態網路特性只在大於一維的量子行走中才能實現，而以往準二維量子行走實驗由於受限的量子演化空間，無法觀測網路傳播特徵。該研究首次在實驗中成功觀測到了瞬態網路特性，進一步驗證了所實現的量子行走的二維特徵。
產品套用
光量子計算系統金賢敏對科技日報記者解釋說：“專用量子計算可直接構建量子系統，不需要依賴通用計算機面臨的‘攔路虎’——複雜的量子糾錯，因而更容易實現。一旦能製備和控制的量子系統達到全新尺度，將可以在特定問題上實現遠超經典計算機的計算能力。”
量子行走作為專用量子計算的重要核心，已被理論預測具有明顯的量子加速效果。其中，對於粘合樹結構上的快速到達問題，量子行走的優勢尤為突出。但常規的二叉粘合樹的節點數目隨層數增加呈指數級增加，會迅速耗盡幾何上的製備空間，因此不可擴展。
在新研究中，金賢敏團隊提出了一種具有充分可擴展性的六方粘合樹結構，通過飛秒雷射直寫技術成功映射到三維光量子集成晶片中，並藉此演示了量子快速到達算法核心，相比經典情形展示了平方級加速，且最優效率提高一個數量級。
據金賢敏介紹，他們所發展的這種基於三維光子集成晶片的大規模量子演化系統，使研發各種物理系統可擴展的專用光量子計算原型機成為可能，極大地推動量子計算機的實際套用；還有望用來解決許多跨學科交叉的科學問題並衍生新興研 究領域。相關論文發表於最新一期的《自然·光子學》雜誌。
