北京大學實現(xiàn)超大規(guī)模集成的圖論光量子計算芯片
北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、“極端光學創(chuàng)新研究團隊”王劍威研究員和龔旗煌教授課題組與合作者實現(xiàn)了一種基于圖論的光量子計算芯片（命名為“博雅一號”），發(fā)展出了超大規(guī)模集成硅基光量子芯片的晶圓級加工和量子調(diào)控技術，首次實現(xiàn)了片上多光子高維度量子糾纏態(tài)的制備與調(diào)控，演示了基于圖論的可任意編程玻色取樣專用型量子計算。2023年4月6日，相關研究成果以《超大規(guī)模集成的圖量子光子學》（“Very-large-scale integrated quantum graph photonics”）為題，在線發(fā)表于《自然·光子學》（Nature Photonics）。 O[8wF86R
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圖論是數(shù)學和計算機科學的一個重要分支，可以用來描述被研究對象間的復雜關系。圖論也為描述與刻畫量子態(tài)、量子器件和量子系統(tǒng)等提供了強有力的數(shù)學工具，例如，圖糾纏態(tài)是通用量子計算的重要資源態(tài)，量子行走可以模擬圖網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，圖可以描述量子關聯(lián)、研究量子網(wǎng)絡等。最近，2022年諾貝爾物理獎得主維也納大學Aton Zeilinger教授團隊在理論上提出了一種數(shù)學圖論和量子光學實驗之間的緊密對應關系。在此架構(gòu)中，通過利用圖的高度可視化功能和強大數(shù)學工具包，圖不僅可以用來描述幾乎所有基于非線性參量光源和線性光學的光量子模塊、器件、系統(tǒng)和裝置，還可以用來發(fā)現(xiàn)新的復雜量子糾纏資源。但該圖論量子架構(gòu)對其實驗實現(xiàn)提出了極高的要求，難以在傳統(tǒng)光量子信息平臺上實現(xiàn)。 t(99m =9>
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圖1.超大規(guī)模集成的圖論光量子信息處理芯片（“博雅一號”） F8J\#PW
北京大學課題組與中國科學院、浙江大學、丹麥科技大學、英國布里斯托爾大學和澳大利亞西澳大學合作，經(jīng)過六年的聯(lián)合攻關，突破了大規(guī)模光量子芯片設計、加工、調(diào)控和實驗測量的重重困難，發(fā)展出了基于互補金屬氧化物半導體工藝（CMOS）的晶圓級大規(guī)模集成硅基光量子芯片制備技術和量子調(diào)控方法，實現(xiàn)了一款集成約2500個元器件的超大規(guī)模光量子芯片，實現(xiàn)了基于圖論的光量子計算和信息處理功能，包括面向通用型量子計算的多光子高維量子糾纏制備，以可編程玻色取樣專用型量子計算。該圖論光量子芯片，實現(xiàn)了量子芯片與復數(shù)圖的完全一一對應，圖的邊對應關聯(lián)光子對源，頂點對應光子源到探測器的路徑，芯片輸出多重光子計數(shù)對應于圖的完美匹配。通過編程該圖論光量子芯片可任意重構(gòu)八頂點無向復圖，并執(zhí)行與圖對應的量子信息處理和量子計算任務。 YRu/KUT$ 7
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圖2.圖論光量子芯片上的多光子、高維度糾纏態(tài)制備與真糾纏驗證 WeIi{<u8R
量子糾纏是研究量子基礎物理和量子計算前沿應用的核心資源。北京大學團隊前期在硅基光量子芯片上先后實現(xiàn)了高維度EPR糾纏態(tài)【Science 360, 285 (2018)】、多光子GHZ糾纏態(tài)【Nature Physics16，148 (2020)】、多比特圖糾纏態(tài)【Nature Physics 17, 1137 (2021)】。然而，如何在芯片上制備多光子且高維度的量子糾纏態(tài)，一直存在諸多理論和實驗挑戰(zhàn)。研究團隊利用該圖論光量子芯片，首次在芯片上實現(xiàn)了多光子且高維度的量子糾纏態(tài)的制備、操控、測量和糾纏驗證，實現(xiàn)了四光子三維糾纏態(tài)GHZ真糾纏態(tài)。并在圖論統(tǒng)一架構(gòu)下，在單一芯片上編程實現(xiàn)了多種重要量子糾纏態(tài)，包括多比特GHZ態(tài)、高維度EPR態(tài)、多光子高維GHZ態(tài)和W糾纏態(tài)。多光子高維糾纏可為高維通用型量子計算提供關鍵資源態(tài)。 I K,aA;d
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圖3.基于圖論的可任意編程玻色取樣專用型量子計算和實驗驗證 qgxGq(6 K
隨著“九章”空間光學量子計算優(yōu)勢的實驗證明，量子計算未來發(fā)展趨勢之一是實現(xiàn)片上量子計算優(yōu)勢并解決具體實際問題。北京大學團隊在前期工作中實現(xiàn)了玻色取樣專用型光量子計算芯片，但尚未實現(xiàn)可編程重構(gòu)功能，不具備求解具體問題的能力【Nature Physics 15, 925 (2019)】。在本項工作中，研究團隊通過可編程重構(gòu)該圖論光量子芯片，精準實現(xiàn)了二部圖和任意圖的芯片上配置，實現(xiàn)了可任意編程的觸發(fā)玻色取樣和高斯玻色取樣量子計算功能。圖論光量子芯片的實驗結(jié)果給出了單向復數(shù)圖的完美匹配數(shù)，分別對應于二部圖和任意圖的伴隨矩陣的Permanent和Hafnian函數(shù)模方分布�；趫D論的可編程玻色取樣專用型量子計算芯片有望為化學分子模擬、圖優(yōu)化求解、量子輔助機器學習等提供有效解決方案。 `^ )oVs
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北京大學物理學院2018級博士研究生包覺明、2022級博士研究生傅兆瑢、博士后Tanumoy Pramanik、2020級博士研究生茆峻、2019級博士研究生池昱霖為文章共同第一作者，中國科學院微電子研究所楊妍研究員、浙江大學戴道鋅教授、丹麥科技大學丁運鴻研究員與王劍威為共同通訊作者；主要合作者還包括中國科學院微電子研究所李志華研究員、唐波高級工程師，丹麥科技大學Leif Oxenløwe教授，北京大學物理學院何瓊毅教授，布里斯托爾大學Mark Thompson教授，西澳大學Jeremy O'Brien教授，北京大學物理學院本科生曹穎康（現(xiàn)馬里蘭大學），博士研究生翟翀昊、戴天祥、陳曉炯、賈新宇、鄭赟，浙江大學博士生彭瑩瑩、博士后劉大建，以及布里斯托爾大學和丹麥科技大學的博士后研究人員。 fM3ZoH/
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上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發(fā)計劃，以及北京大學人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、北京大學長三角光電科學研究院、合肥量子實驗室等的支持。 g6H`
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