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前沿进展 | 新型可编程硅基光量子计算芯片：实现量子漫步要素完全可调控

1 导读
军事科学院强晓刚、国防科技大学吴俊杰、中山大学蔡鑫伦等国内外研究团队合作，研制出国际上首个面向图论问题应用的可编程硅基光量子计算芯片。该芯片基于量子漫步计算模型设计，可动态编程实现通用多粒子量子漫步模拟，支持运行一系列基于量子漫步模型的量子算法应用，包括顶点搜索、图同构等图论问题求解，有望在数据搜索、模式识别等大数据处理领域获得应用。
研究成果以“Implementing graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walk processor”为题，于2021年2月26日发表在Science Advances 上。
2021 | 前沿进展
2 研究背景
量子比特数目少、有效量子操作深度浅，是现阶段量子技术水平存在的制约性问题。在这种受限条件下，如何最大化利用量子资源、设计可编程运行有实用前景量子算法的量子装置，是量子计算领域的重要挑战。
研究团队采用硅基集成光学技术，设计并实现了一款可编程光量子计算芯片。该芯片基于量子漫步（Quantum Walk）计算模型设计，可动态编程实现通用多粒子量子漫步模拟。量子漫步是一种量子物理世界的独特数学模型，也是一类重要的量子计算模型，是许多量子算法的重要内核。所研制芯片能够对量子漫步演化时间、哈密顿量、粒子全同性、粒子交换特性等要素进行完全调控，实现不同参数的量子漫步过程，从而支持运行一系列基于量子漫步模型的量子算法应用。
3 研究创新点1

  • 通用多粒子量子漫步模拟光量子芯片设计

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图1 通用多粒子量子漫步模拟光量子芯片设计方案、器件实现及实验系统示意图。
量子漫步是一类重要的量子计算模型，是许多量子算法的重要内核。量子漫步的动态演化不仅与演化时间、哈密顿量有关，还与进行量子漫步的粒子的全同性、交换特性等性质有关。不同的量子漫步算法应用往往需要对这些参数进行实时操控以实现不同的量子漫步演化过程。该成果创新提出了一种光子纠缠操控与可配置光学网络相结合的芯片设计架构，为通用多粒子量子漫步动态模拟提供了可扩展的实现方案（图1）。通过光学网络的不同配置，能够实现不同结构图上不同演化时间的量子漫步过程，通过操控片上纠缠光子的纠缠态，能够调控进行量子漫步演化粒子的全同性及交换特性。通过提升芯片器件上集成光学网络的规模、数量以及片上光子的数目，芯片的计算能力将快速增长。
3 研究创新点2

  • 基于硅基集成光学的可编程光量子计算芯片实现

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图2 基于芯片的多光子量子漫步实验模拟实现。（A）芯片上实现四节点环形图上不同粒子全同性及交换特性的两粒子量子漫步演化过程，γ、ф分别为粒子全同性及粒子交换特性参数。（B）芯片上实现两费米子在4节点星形图上量子漫步，以模拟单粒子在6节点图上的量子漫步。（C）芯片上实现两玻色子在4节点星形图上量子漫步，以模拟单粒子在10节点图上的量子漫步。
光量子芯片技术是采用传统微纳加工工艺在单个芯片上集成大量光量子器件来实现量子信息处理，具有高集成度、高精确度、高稳定性等优势。该成果采用硅基集成光学技术，实现了可编程的专用光量子计算芯片，可动态编程实现通用多粒子量子漫步模拟（图2）。芯片上集成了纠缠光子源、相移器、分束器、光耦合器等上百个光量子器件，能够在单个芯片上同时实现光子的产生和操控。通过电学调控片上器件实现对光量子态的制备与操控，从而实现量子信息的编码和量子算法的映射。通过对所研制光量子计算芯片的编程运行，研究团队实验演示了关联粒子的量子漫步模拟，以及顶点搜索、图同构等图论问题的量子算法求解等应用，实验总共实现了近30,000次不同的芯片配置。
3 研究创新点3

  • 基于量子漫步模型的图论问题量子算法实验演示

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图3 量子漫步搜索算法实验演示。（A-C）用于搜索算法的测试图形。（D-H）在不同图上进行量子漫步搜索时目标节点的搜索概率随时间的分布。（D-F）在图A上进行单节点或双节点搜索。（G）在图B上进行双节点搜索。（H）在图C上进行双节点搜索。
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图4 量子漫步图同构算法实验演示。（A）图同构算法流程图。（B）图同构算法经典计算机模拟结果。（C）芯片上实验演示30对图的图同构判定算法。（D）芯片上实现基于图同构算法的图形相似度测量。（E-F）芯片上测试的图对，E为同构图，F为非同构图。
所研制芯片具有完全的可编程性以及高稳定性，能够在单个芯片上执行成千上万种不同的量子漫步演化过程，从而支持不同的量子漫步算法运行。基于芯片，研究团队演示验证了顶点搜索、图同构等图论问题的量子算法求解。对于图顶点搜素，量子漫步算法理论上可以在Image时间内找到N个顶点图上的标记顶点，芯片上演示了最多包含15个顶点的图上的顶点搜索（图3）。图同构问题是指判断给定的两幅图是否具有完全相同的结构。图同构问题被认为可能是NP-Intermediate问题，目前经典的通用图同构算法复杂度为Quasi-Polynomial。芯片上演示了基于量子漫步模型的多项式复杂度图同构算法（图4），实现了763对图形的图同构判定，展示了量子漫步算法在图同构判定应用上的巨大潜力。

 

4 总结与展望
硅基集成光学技术，得益于其CMOS工艺可兼容、非线性效应强、可大规模生产等特点，在研制规模化光量子计算芯片方面显示出独特优势。此前，强晓刚等就采用硅基集成光学技术实现了国际上首个通用两比特光量子计算芯片（Nature Photonics, 12(9)，534-539, 2018）。本次的研究成果再次展现了硅基集成光学技术实现大规模实用化光量子计算的巨大潜力。
该工作由国防科技大学、军事科学院、中山大学、北京量子信息科学研究院、英国布里斯托大学、澳大利亚西澳大利亚大学、德国马克·普朗克量子光学研究所等合作完成。军事科学院强晓刚研究员为论文第一作者。军事科学院强晓刚研究员、中山大学蔡鑫伦教授和国防科技大学吴俊杰研究员为论文通信作者。该工作得到国家自然科学基金项目（11804389、61632021）、北京量子信息科学研究院面上项目、青年人才托举工程项目及中山大学光电材料与技术国家重点实验室开放课题等的大力支持。

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