欧宝体育

業務資訊
欧宝体育  > 新聞中心 > 業務資(zi)訊

我國光量子芯片技術從跟跑轉向并跑

發布日期: 2019-09-11 信息來源:欧宝体育

    把“命門(men)”掌(zhang)握在自(zi)己手中

    摩(mo)爾定律提出后的半個多世紀,日趨走向瓶頸的集成技術加上更高算力的巨大需求,一再將(jiang)它推向終結。

    “電(dian)子芯(xin)片的集成(cheng)度已經到(dao)幾個納米級了,如果再(zai)到(dao)原(yuan)子級就走(zou)到(dao)極(ji)限了,到(dao)那時,線(xian)路間的電(dian)子會(hui)互(hu)相干涉而不能正(zheng)常工作,甚至散(san)熱都將面(mian)臨極(ji)大(da)挑(tiao)戰,但(dan)人類的計(ji)算能力不能停止(zhi)。”上(shang)海(hai)交通大(da)學物理與(yu)天文學院教授(shou)金(jin)賢敏正(zheng)用(yong)光(guang)量子芯(xin)片,試(shi)探量子計(ji)算的邊界(jie)。

    近年來,他針對量(liang)子(zi)信息技術(shu)(shu)的(de)特點進一步發展了飛秒激光(guang)直寫技術(shu)(shu),制備出世界(jie)最大規模的(de)三維集成光(guang)量(liang)子(zi)芯片,并(bing)演示(shi)了首個(ge)真(zhen)正(zheng)空間二(er)維的(de)隨機行走量(liang)子(zi)計算。同時(shi),他在此芯片中構(gou)建了大規模六(liu)方(fang)粘合樹,并(bing)通過這(zhe)種高(gao)可擴展性(xing)結構(gou)演示(shi)了量(liang)子(zi)快速(su)到達算法內(nei)核,相比經(jing)典情(qing)形最優效率提高(gao)10倍(bei)。

    芯片(pian)化、集成化成量子信息技術熱點

    閃爍(shuo)的(de)激(ji)光不(bu)斷將(jiang)光束(shu)投射在一張透明基(ji)片上,很快,一個(ge)(ge)刻有4800個(ge)(ge)光子(zi)回路的(de)波導陣列,以肉眼看不(bu)到的(de)精度成型(xing)。不(bu)久(jiu)的(de)將(jiang)來,這種光量(liang)子(zi)芯片將(jiang)載著一個(ge)(ge)或多個(ge)(ge)光子(zi),在數萬個(ge)(ge)波導中“奔跑”,去證(zheng)明量(liang)子(zi)計(ji)算的(de)潛(qian)力和(he)能量(liang)。

    在上海交通大學(xue)光子集成與量子信息實驗(yan)室,金賢敏(min)正帶著(zhu)學(xue)生制備量子光學(xue)集成芯片。

    兩年來,他在南京大(da)學陸延青(qing)教授領銜的(de)(de)(de)國家重點(dian)研發計劃(hua)“人工微結構中(zhong)的(de)(de)(de)量(liang)子、類量(liang)子效應及功能集(ji)成光子芯片”項(xiang)目中(zhong),承擔光量(liang)子芯片等領域的(de)(de)(de)研究。

    金賢敏介紹,光量(liang)子芯(xin)片的研(yan)(yan)究從2008年左右在(zai)全球興起。目前,芯(xin)片化、集成(cheng)化已(yi)經成(cheng)為量(liang)子信息技術邁向(xiang)實用化的研(yan)(yan)究熱(re)點和戰略方向(xiang),牛津大(da)學(xue)、布里斯托(tuo)大(da)學(xue)、羅(luo)馬大(da)學(xue)、麻省理工學(xue)院(yuan)等(deng)名(ming)校已(yi)經開始(shi)在(zai)光量(liang)子芯(xin)片和量(liang)子計算等(deng)領域(yu)發(fa)力。

    不(bu)過,2014年金(jin)賢敏(min)回國(guo)時(shi),國(guo)內的(de)相(xiang)關研(yan)究剛起(qi)步。金(jin)賢敏(min)整(zheng)整(zheng)想了(le)一年多,最(zui)終確定基于飛秒激光(guang)直寫(xie)的(de)三維集成光(guang)量(liang)子(zi)(zi)芯片的(de)研(yan)發,來解(jie)決量(liang)子(zi)(zi)系統的(de)物理(li)可擴展(zhan)(zhan)性瓶頸(jing);同時(shi),拓展(zhan)(zhan)由(you)空(kong)到海的(de)量(liang)子(zi)(zi)通信(xin)和量(liang)子(zi)(zi)探(tan)測的(de)探(tan)索(suo),發展(zhan)(zhan)可在(zai)室溫下(xia)運行的(de)寬(kuan)帶量(liang)子(zi)(zi)存儲技術。

    不發表論文,沉寂4年攻克關鍵技術

    目前(qian),國際上有(you)關光量子芯片的制備工(gong)藝涉及飛秒激光直寫(xie)、離子交換、UV激光直寫(xie)以及硅基工(gong)藝等加(jia)工(gong)方式(shi)。

    “此前的(de)飛(fei)秒(miao)激(ji)光(guang)直寫技術(shu)主(zhu)要集(ji)中(zhong)(zhong)在構建(jian)二維(wei)(wei)光(guang)子線路上,但對于大(da)算(suan)力的(de)光(guang)量(liang)(liang)子芯片來說,三維(wei)(wei)集(ji)成(cheng)的(de)優勢更明顯,這可(ke)以(yi)讓芯片中(zhong)(zhong)的(de)量(liang)(liang)子系(xi)統復雜度(du)更高(gao)(gao)、維(wei)(wei)度(du)更大(da)、節點更多,從而提高(gao)(gao)量(liang)(liang)子計算(suan)的(de)算(suan)力。”金賢敏表(biao)示,從2014年起(qi),他開始帶領(ling)團隊(dui)用飛(fei)秒(miao)激(ji)光(guang)直寫技術(shu)攻克三維(wei)(wei)集(ji)成(cheng)技術(shu)。

    所謂(wei)飛秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)(guang)直寫,是在(zai)(zai)幾(ji)百飛秒(miao)時(shi)間內(nei),將一個(ge)脈沖的能(neng)量(liang)釋放在(zai)(zai)芯片(pian)基底(di)的每個(ge)焦(jiao)點附近,通過移動激(ji)光(guang)(guang)(guang),在(zai)(zai)芯片(pian)中“寫”出光(guang)(guang)(guang)子線路。“因為激(ji)光(guang)(guang)(guang)脈沖非常(chang)短,直寫時(shi)能(neng)量(liang)在(zai)(zai)幾(ji)百飛秒(miao)時(shi)間內(nei)被吸收,所以熱量(liang)還(huan)沒有來(lai)得(de)及散發就(jiu)以改變材(cai)料屬(shu)性的方式(shi)固(gu)化(hua)下來(lai),我們就(jiu)可(ke)以很(hen)平滑地改變芯片(pian)內(nei)部(bu)的性質,形成高品質的光(guang)(guang)(guang)子線路。”金賢敏(min)說。

    然而,激(ji)光(guang)匯(hui)聚到(dao)芯(xin)片中(zhong)(zhong),在(zai)不(bu)同(tong)(tong)的深度(du),被芯(xin)片吸收的程度(du)不(bu)同(tong)(tong),導致呈(cheng)現(xian)不(bu)同(tong)(tong)的特(te)性。為了將量子光(guang)信號束縛(fu)住(zhu),從2014年(nian)到(dao)2018年(nian),金賢敏(min)和團隊成(cheng)員一(yi)起翻看文獻,研究(jiu)復(fu)雜(za)的技(ji)術(shu)特(te)點,不(bu)斷設計激(ji)光(guang)走向、編寫代碼、調整波導中(zhong)(zhong)光(guang)束的折射(she)率,生成(cheng)自己(ji)的“秘(mi)密配方”。

    由于面(mian)向(xiang)光量子(zi)信息的(de)(de)直(zhi)寫技術和工(gong)藝完全自主研發,制備(bei)芯(xin)(xin)片的(de)(de)效(xiao)率也(ye)大大提高(gao),“例(li)如直(zhi)寫單個陣列2401根(gen)波(bo)導(dao)的(de)(de)芯(xin)(xin)片,我們的(de)(de)團(tuan)隊只需要(yao)1天(tian),而(er)當時(shi)英(ying)國的(de)(de)團(tuan)隊可(ke)能(neng)需要(yao)半(ban)年,而(er)且他們制備(bei)的(de)(de)波(bo)導(dao)陣列基(ji)本(ben)為二維,且波(bo)導(dao)數僅有幾(ji)百(bai)個。”此外(wai),刻蝕后的(de)(de)芯(xin)(xin)片,光子(zi)演(yan)化的(de)(de)損耗能(neng)控制在0.16分(fen)貝/厘米(mi),低(di)于國際平均水平的(de)(de)0.2分(fen)貝/厘米(mi)。

    這4年,金(jin)賢(xian)敏甘(gan)坐(zuo)冷板凳,他沒有急于發(fa)表論文(wen),“只要不出差,在(zai)上海工(gong)作時,有三分之一(yi)的(de)時間都會通(tong)宵(xiao)”。他說(shuo),在(zai)電子芯(xin)(xin)片(pian)時代(dai),我國(guo)在(zai)芯(xin)(xin)片(pian)的(de)制(zhi)備(bei)(bei)和封裝(zhuang)等環節受制(zhi)于人,而研發(fa)飛秒激光直寫(xie)技(ji)術,正是要推動光量子芯(xin)(xin)片(pian)制(zhi)備(bei)(bei)環節的(de)突破。

    光量(liang)子集(ji)成技術(shu)可用于(yu)制(zhi)藥、成像、黑洞模擬

    在量(liang)(liang)(liang)子(zi)計算(suan)(suan)領域,量(liang)(liang)(liang)子(zi)行(xing)(xing)走(zou)(zou)是(shi)專用量(liang)(liang)(liang)子(zi)計算(suan)(suan)的(de)(de)重要內核。在光量(liang)(liang)(liang)子(zi)芯片實驗過(guo)程中(zhong),金賢敏(min)團隊(dui)設(she)計的(de)(de)三維(wei)(wei)波導(dao)陣(zhen)列實現了(le)二維(wei)(wei)連續量(liang)(liang)(liang)子(zi)行(xing)(xing)走(zou)(zou)。量(liang)(liang)(liang)子(zi)達到至少100多個(ge)行(xing)(xing)走(zou)(zou)步徑(jing),突(tu)破了(le)過(guo)去(qu)所(suo)有的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)行(xing)(xing)走(zou)(zou)實驗紀錄。

    “量子行走具有(you)天然的(de)疊加態特性,到了(le)二維(wei)空間,面(mian)對(dui)分叉(cha)選擇的(de)時候,量子可(ke)(ke)以(yi)從(cong)上下左右四個方(fang)向同時走過去,效(xiao)率大(da)大(da)提高。”金賢敏解釋,量子行走在粘(zhan)合樹結構上“快速到達”的(de)優勢尤為突出。他和團隊巧(qiao)妙提出了(le)一種具有(you)充分可(ke)(ke)擴展性的(de)六方(fang)粘(zhan)合樹結構,這種結構即使(shi)層數(shu)很大(da),都(dou)可(ke)(ke)以(yi)在芯片中很好地用(yong)三維(wei)波導來實(shi)現(xian)。

    結果(guo)顯示,量(liang)子(zi)算(suan)法可實(shi)現約(yue)90%的(de)最優(you)(you)到達效(xiao)率,最優(you)(you)演(yan)化(hua)(hua)(hua)長度約(yue)為(wei)(wei)25毫(hao)米。而經典算(suan)法只能緩(huan)慢地達到最優(you)(you)演(yan)化(hua)(hua)(hua)情(qing)形(xing),且最優(you)(you)到達效(xiao)率只有(you)6.25%。“有(you)了基于(yu)三(san)維集成光量(liang)子(zi)芯片(pian)的(de)大規模量(liang)子(zi)演(yan)化(hua)(hua)(hua)系統,意味(wei)著研發各種(zhong)專用(yong)光量(liang)子(zi)計算(suan)算(suan)法的(de)實(shi)驗實(shi)現成為(wei)(wei)可能。”金(jin)賢敏說。

    有研(yan)發可能性的(de)(de)還不止在(zai)計算和優化(hua)問題方(fang)面的(de)(de)應用(yong)。金賢敏(min)表(biao)示(shi),在(zai)光(guang)量子(zi)芯(xin)片中的(de)(de)量子(zi)演化(hua)分布,未(wei)來還有望用(yong)于黑洞(dong)模擬、量子(zi)人工智能、量子(zi)拓撲光(guang)子(zi)學、生物(wu)醫藥及成像等學科的(de)(de)綜合(he)性研(yan)究。 

媒體垂詢

E-mail:ZNJ@mucagel.com

欧宝体育