圖片來源：強曉剛/布里斯托大學(xué)

通過允許將數(shù)十億個晶體管封裝在單個芯片上，硅為我們擁有今天的計算機做出了舉足輕重的貢獻。而且，將來還會出現(xiàn)基于它的更強大的計算機。

最近，一個由中國、英國和澳大利亞的研究人員組成的合作研究團隊研發(fā)出了一種可對單光子進行操縱以制造光量子處理器的硅芯片。“我們制造了一種光量子處理器，它可以創(chuàng)建和操縱使用光子編碼的兩個量子比特，可用于通用的雙量子比特量子計算。” 位于長沙的國防科技大學(xué)的助理研究員強曉剛說。他是發(fā)表在9月期的《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上的論文“Large-scale silicon quantum photonics implementing arbitrary two-qubit processing”的第一作者，這篇論文介紹了這個團隊的研究成果。

量子計算建立在量子力學(xué)不可思議的規(guī)則基礎(chǔ)上，這使得它有可能執(zhí)行傳統(tǒng)計算機設(shè)計永遠無法實現(xiàn)的計算，例如快速破解加密代碼或模擬大爆炸。量子計算機基于量子比特，后者類似于傳統(tǒng)計算中的比特。但與我們熟悉的傳統(tǒng)計算機的1和0不同的是，量子比特可以疊加，同時保持多個狀態(tài)，從而擴大了其計算能力。它們也可以糾纏在一起，因此測量一個量子比特可以提供有關(guān)另一個量子比特狀態(tài)的信息。

IBM和Google等公司都在努力開發(fā)具有足夠多相連在一起的量子比特的設(shè)備來執(zhí)行強大的計算。但到目前為止，它們只實現(xiàn)了將幾十個量子比特相連接。最有競爭力的量子比特是超導(dǎo)量子比特，采用激光捕獲離子和原子并將它們冷卻到冷卻到接近絕對零度。超導(dǎo)量子比特的問題在于，隨著系統(tǒng)中量子比特數(shù)的增加，它們與外部世界交互的可能性越大，它們就越有可能失去量子態(tài)（即相干態(tài)），并變得無用。

但光子不會有這個問題，強曉剛說。“光子不會與環(huán)境相互作用，因此我們不會遭遇相干態(tài)時間短的問題。”他說，光子也可以被超高精度操縱。當(dāng)然，它們是以光速傳播的。最重要的是，光子芯片可以利用計算機行業(yè)已經(jīng)建立的整個基于硅的基礎(chǔ)設(shè)施。

這種芯片由很多個干涉儀組成，這些干涉儀將光子分成不同的空間模式。每個模式都穿過一個特定的波導(dǎo)，這樣使一個光子在一個波導(dǎo)中代表a 1，而在另一個波導(dǎo)中它代表a 0。知道一個光子走的是哪條路徑，就可以知道它的糾纏伙伴走的是哪個路徑。

光子使用由電壓控制的熱光移相器進行編碼。強曉剛說：“移相器的不同設(shè)置控制著光子在干涉儀中的傳播行為，使不同的量子比特狀態(tài)編碼和不同的量子操作成為可能。”

為了將該系統(tǒng)擴展成真正有用的東西，研究人員需要找到某種辦法，在芯片上產(chǎn)生更多相同的糾纏光子。在芯片上安裝足夠多的移相器、分束器和其他光學(xué)元件來處理所有這些光子，也是一項工程挑戰(zhàn)。但強曉剛表示，硅光子學(xué)已經(jīng)顯示出了將許多元件塞進狹小空間并使它們?nèi)恳愿呔裙ぷ鞯哪芰Γ耙虼耍鼘嶋H上是實現(xiàn)最終的大規(guī)模光量子處理器的可行方法。”