世界规模最大三维光量子芯片在中国研制成功,美:应加强技术交流

导读:中国打造出全球规模最大的三维光量子芯片,美国:应多加强技术交流

南京大学固体微结构物理国家重点实验室李涛教授、祝世宁院士研究组最近报告研制出迄今为止尺寸最小(14
× 14
μm2)光量子控制-非门。该量子逻辑门也是国际上首个基于等离激元体系的具有光量子信息处理功能的量子器件,能进行二比特量子操作,可作为量子集成芯片上的基本运算单元。二比特的控制-非门和单比特的哈达玛门是通用量子计算芯片的二种基本逻辑单元。这种基于表面等离激元构建的光量子逻辑门体积小,因而可大幅度提高光量子芯片集成度,减少芯片的尺寸。该量子逻辑门研制成功向着实现光量子计算目标又前进了一步。该成果近期发表在自然子刊Nature
Communications 7:11490 DOI:
10.1038/ncomms11490上,物理学院王漱明副研究员是论文的第一作者。

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基于量子力学的信息处理技术使用量子位叠加原理突破了经典信息处理仅用0和1编码方式,在根本原理上较之于经典计算有着无与伦比的优势。光子作为一个很好的量子信息处理的载体具有很好的相干性和单比特操作特性。近年来,光量子信息处理系统已经广泛应用于量子通讯、量子测量和量子计算等领域。然而,为了应对大规模信息处理和计算的要求,如何将光子处理系统的尺寸进一步的压缩已经成为近期研究者们关注的重点。当前,有一些基于路径编码的量子逻辑门和量子算法已经可以在集成光路中实现了,不过路径编码方式决定了其集成度不可能很高。而另一种编码方式——偏振编码,从原理上可以将光路简化,但却很难在集成光路中实现。这是因为光子芯片中的偏振分束和偏振旋转,需要通过更加精确地设计波导耦合长度来实现,这种精准度对现有的集成光路设计和制成提出极大挑战。

“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路(2016年12月10日摄)。新华社记者
金立旺摄

中国因为历史原因,在量子技术领域起步较晚,但是取得的成就却是最多的,让西方以美国为首的国家惊叹不已,毕竟他们在该领域已经浸淫多年,反而被后起之秀中国取得了显著的成就,航天量子齐发力,中国成功的打造出了世界上第一颗量子科学实验卫星,并且实验了第一次量子通讯,中国和奥地利实现了世界上第一次量子通话,震惊全世界。

目前研制成功的等离激元光量子控制-非门巧妙地利用介质加载金属表面等离激元波导成功实现了TE和TM两种偏振模式的操控,仅仅使用一个偏振依赖分束器就实现了偏振编码的二个量子比特的控制-非门。它的尺寸只有14
× 14
μm2(比之前他人的结果减小了4个量级),是目前世界上最小的光量子逻辑门。实验给出的该控制非门的逻辑功能真值表显示了该逻辑门具有高的保真度(63.7%
≤ Fprocess≤ 80.3%)和很好的纠缠产生能力。

量子力学是微观物理学依赖的基本理论框架。自其提出一百多年来,在物理学基础与应用的方方面面取得了一个又一个的成功。复旦大学物理系教授施郁将量子信息和量子操控等方面发生着的改变称为“继续量子科学革命”。在这场科学革命中,中国科学家正在努力攀登,在某些领域已经占据鳌头。

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量子科学革命正在发生

中国在量子领域取得的成就,可以说是前无古人后无来者,但我国的科研人员们并没有骄傲自大,科研探索的脚步,一步也不敢停歇。近日,中国的科研团队有成功打造出世界上规模最大的三维集成光量子芯片,据悉,这款三维集成光量子芯片拥有着无比强大的计算能力,将会颠覆现有计算机的计算能力,普通电脑需要100分钟才能够完成的运算,使用搭载这款芯片的电脑运行效率能提升十倍以上,仅需十分钟就可以完成。

图一、传统偏振编码的控制非门的设计;使用介质加载表面等离激元波导的工作原理;偏振依赖分束器的SEM图;从右耦入端入射的TM模式的传播效果;从左耦入端入射的TM模式的传播效果;从左耦入端入射的TE模式的传播效果。蓝色箭头表明耦入光位置和偏振方向。

早在20世纪90年代,诺贝尔奖得主、著名物理学家莱德曼曾说,量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。今天,由量子力学引发的科学革命正在深刻地改变着人类的生产生活方式——量子力学被广泛应用于各学科领域,量子光学、量子统计、量子化学、量子信息、量子计算等正蓬勃发展。

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世界各国纷纷把量子科学作为未来要抢占的战略制高点。英国在2013年就宣布将投资2.7亿英镑设立英国国家量子技术计划,同时成立量子技术战略顾问委员会。欧盟则计划于2018年启动总额为10亿欧元的量子技术项目。美国更将量子技术视为未来增强国家安全的重要屏障——美国国家科学技术委员会发布《推进量子信息科学:国家的挑战和机遇》报告认为,量子计算最终或将颠覆众多学科领域,因此敦促学术界、工业界和政府相关部门保证量子信息研发的需求。

根据相关专家介绍,普通的电脑随着预算数据的复杂程度增大,速度和效率都会有所下降,而使用这款设备它的运算能力就越能表现出它的优势所在。据相关行业专家表示,在未来三维光量子芯片将会占据极其重要的地位,因为其独特的信息保密技术和庞大的运算能力,在未来信息战的当中会发挥无可比拟的优势。正是因为该项技术拥有如此重要的应用前景,而美国在该领域却迟迟不能够取得进展,多次向中国提出请求,声称,量子技术最先是由美国提出的,中国目前的量子技术发展也有美国的份功劳,所以希望中国能够将相关的量子技术共享出来,以促进该行业的进步和发展。

图二、基于介质加载金属表面等离激元的控制非门在ZZ基上测试得到的各基矢的几率;在XX基上测试得到的各基矢的几率。

同样,我国对量子科学发展也非常重视。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》将量子调控研究列入四项重大科学研究计划;“十三五”规划纲要将量子通信和天地一体化信息网列为十大重点项目;科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会等科研主管部门也对量子信息领域持续进行着前瞻性、战略性布局。

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