超大规模集成光量子计算芯片研制成功

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本报北京4月14日电（记者晋浩天）北京大学王剑威研究员、龚旗煌教授课题组与合作者经过6年联合攻关，研制了基于超大规模集成硅基光子学的图论“光量子计算芯片”——“博雅一号”，发展出了超大规模集成硅基光量子芯片的晶圆级加工和量子调控技术，首次实现了片上多光子高维度量子纠缠态的制备与调控，演示了基于图论的可任意编程玻色取样专用型量子计算。相关研究成果日前以《超大规模集成的图量子光子学》为题，在线发表于《自然·光子学》。

研究团队介绍，图论是数学和计算机科学的一个重要分支，可以用来描述被研究对象间的复杂关系。图论也为描述与刻画量子态、量子器件和量子系统等提供了强有力的数学工具，如图纠缠态是通用量子计算的重要资源态，量子行走可以模拟图网络结构，图可以描述量子关联、研究量子网络等。图论“光量子计算芯片”是一种以数学图论为理论架构，描述、映射并在芯片上实现光量子计算功能的新型量子计算技术。

北京大学课题组与合作者经过六年联合攻关，发展出了基于互补金属氧化物半导体工艺的晶圆级大规模集成硅基光量子芯片制备技术和量子调控方法，研制了一款集成约2500个元器件的超大规模光量子芯片，实现了基于图论的光量子计算和信息处理功能。这一光量子芯片可与复数图完全一一对应，图的边对应关联光子对源，顶点对应光子源到探测器的路径，芯片输出多重光子计数对应于图的完美匹配。通过编程该光量子芯片可任意重构八顶点无向复图，并执行与图对应的量子信息处理和量子计算任务。

量子纠缠是研究量子基础物理和量子计算前沿应用的核心资源。然而，如何在芯片上制备多光子且高维度的量子纠缠态，一直存在诸多理论和实验挑战。研究团队利用该光量子芯片，首次实现了多光子且高维度的量子纠缠态的制备、操控、测量和纠缠验证，验证了四光子三维GHZ真纠缠。在图论统一架构下，单一芯片编程实现了多种重要量子纠缠态。多光子高维纠缠可为高维通用型量子计算提供关键资源态。据介绍，基于图论的可编程玻色取样专用型量子计算芯片有望为化学分子模拟、图优化求解、量子辅助机器学习等提供有效解决方案。