芯東西（公眾號：aichip001）
作者 | 温淑
編輯 | Panken
芯東西3月1日消息，近日，我國國防科技大學研究團隊，研發出一款用於模擬量子行走的可編程硅基光量子計算芯片，研究發表於國際學術頂刊Science Advances。
藉助該芯片，研究人員在292個不同圖像上，均實現了對100個量子行走的時間步驟模擬。這款新型芯片採用CMOS兼容硅光子學方式製造，具備大規模生產潛力，未來或可用於實現量子信息處理和量子模擬，為解決數據庫搜索、圖同構問題提供量子加速。
這項研究名稱為《在硅光子量子行走處理器上實現圖論問題的量子算法求解（Implementing graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walk processor）》。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/9/eabb8375
要理解國防科技大學研發的“可編程硅基光量子計算芯片”是什麼，首先要理解“量子行走”的含義。
簡單來説，量子行走（Quantum Walk）是經典隨機行走在量子世界中的一種對應，能夠形成比經典隨機行走（Random Walk）更豐富和複雜的可能性。
在經典的隨機行走中，一個粒子隨機地繞着一個離散空間行走。單位時間內，粒子每“行走一步”的方向和位移由一個隨機變量來刻畫，有一半概率向左、一半概率向右。
而在量子世界中，由於受到疊加（superposition）、量子干涉（quantum interference）、糾纏（entanglement）等量子狀態的干涉，粒子每“行走一次”的位移，具備着更多的可能性。
也就是説，單位時間內，粒子有可能既往左又往右。在一維鏈狀量子比特間，粒子激發以疊加態類似於波的形式傳播。
量子行走動態示意圖（圖源：松山湖材實驗室）
得益於豐富的可能性，量子行走的速度遠遠快於經典隨機行走，能夠加速模式識別、計算機視覺、網絡分析和導航、網站流量優化等方面應用。在基於測量的量子計算中，量子行走可以用於使用和分析大而不完美的圖形狀態（large but imperfect graph states）。
此前，曾有研究人員利用漸逝耦合集成波導陣列（arrays of evanescently coupled integrated waveguides），實現了5個光子的量子行走；並利用積體光學的固有穩定性，實現了數百個頂點的線性圖。還有大量研究致力於利用包括光子學在內的一系列物理系統，實現量子行走的仿真模擬，或利用量子邏輯實現數字仿真。
但是，多數研究中的平面器件（planar device）受到無源底層光子電路佈局（the layout of the passive underlying photonic circuit）的限制，需要額外地修改電路，以觀測量子行走參數的不同變化。
二、完全可編程的硅光子器件：可實現多達100個量子行走步驟本項研究中，研究人員研發的可編程硅基光量子計算芯片尺寸為11×3平方毫米，主要由兩個部分組成：糾纏光子對產生（entangled photon-pair generation）和通用線性光學變換（universal linear optical transformation）。
根據論文，這款新型芯片不僅能夠模擬關聯粒子的量子行走動力學，還能實現對所有重要參數的全面控制，以及具備大規模應用的前景。
論文寫道：“這種方式提供了完全的可編程性和對量子行走特性的控制，因此，其相比模擬系統具備更大的靈活性和性能。相比數字量子計算機，（基於可編程硅基光量子計算芯片的）量子計算機更可能在短期內實現。”
可編程硅基光量子計算芯片示意圖
具體來説，該可編程硅基光量子計算芯片能夠控制哈密頓結構（Hamiltonian structure）、進化時間（evolution time）、粒子識別能力（particle distinguishability）、交換對稱性（exchange symmetry）等重要參數。
研究人員通過對所研製光量子計算芯片的編程運行，演示了頂點搜索、圖同構等圖論問題量子算法的求解。結果顯示，研究人員藉助該芯片，在292個不同圖像上均實現了100個量子行走的時間步驟模擬。
在實現較大規模應用方面，基於可編程硅基光量子計算芯片量子計算機的糾纏結構可以通過兩種方式擴大，
首先，研究人員可通過增加光學網絡的大小，來擴大糾纏結構。在光學網絡中，研究人員可使用具有更短光學深度、更強魯棒性的替代設計。
其次，研究人員可通過使一個廣義P-partite糾纏光子態服從於廣網絡的P副本，來模擬具有可調粒子相關性的P-particle的量子行走。
三、用CMOS兼容硅光子學方法制造在製造工藝方面，這款新型量子計算芯片採用CMOS兼容硅光子學方式製造，在實現大規模光網絡和多光子源方面具備潛力。
根據論文，這款新型量子計算芯片利用SOI（絕緣體上硅）材料設計和製造，其表面硅層厚度為22nm 、掩埋氧化層厚度為2μm，製造過程中大致分為6步。
1、研究人員首先利用電子束刻蝕（EBL）和電感耦合等離子體（ICP）刻蝕技術，製造出一個70nm的光柵耦合器（grating couple）。
2、在此基礎上，研究人員在SOI晶片上進行二次電子束刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕，以製備波導圖案。
3、然後，研究人員通過等離子體增強化學氣相沉積，在芯片表面沉積一層1.5μm厚的二氧化硅層。
4、接下來，研究人員將二氧化硅層拋光為0.9μm。0.9μm的二氧化硅層將被作為硅波導和微加熱器之間的隔離層，以避免潛在的光損耗。
5、之後，藉助標準紫外光刻、金屬沉積、剝離工藝（liftoff process），研究人員製備出150nm厚的NiCr加熱器和250nm厚的Au襯底。
6、最後，芯片被分開，用線連接到印刷電路板上。
根據論文，未來，研究人員或將通過引入干涉儀的優化塊設計（optimized block design）等，來進一步解決可編程硅基光量子計算芯片在量子行走模擬中的誤差問題。
結語：量子計算技術有望在特定應用領域搶先落地經典計算發展路徑之下，最為重要的硬件產品——傳統硅基芯片，日益面臨着晶體管直徑逼近物理極限的問題。基於此，量子計算、革新芯片材料等研究方向成為一大熱門。
其中，量子計算應用研究尚屬於初級階段，且需要極低温的運行環境，短期內難以實現大規模落地部署。
但是，以國防科技大學的對硅基光量子計算芯片的研究為代表，量子計算技術或有望在數據庫搜索、圖同構問題等特定應用場景中實現搶先落地。
來源：Science Advances