近年來，量子科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。國內(nèi)外科技相關(guān)機(jī)構(gòu)紛紛布局，欲在其中占一席之地。我國作為科技強(qiáng)國，自然也不例外。

研發(fā)出具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的發(fā)展目標(biāo)。然而，由于現(xiàn)今的技術(shù)水平，量子比特?cái)?shù)目少、有效量子操作深度淺。在這種條件限制下，如何最大化利用量子資源、設(shè)計(jì)可編程運(yùn)行有實(shí)用前景量子算法的量子裝置，成為量子計(jì)算領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

近日，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院QUANTA團(tuán)隊(duì)聯(lián)合軍事科學(xué)院、北京量子信息科學(xué)研究院、中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等國內(nèi)外單位，研發(fā)出一款新型可編程硅基光量子計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)了多種圖論問題的量子算法求解，有望未來在大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

據(jù)了解，該芯片能夠模擬相關(guān)粒子的量子漫步動(dòng)力學(xué)，并對(duì)包括漢密爾頓量、量子漫步演化時(shí)間、粒子可分辨性和交換對(duì)稱性等所有重要參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)施兩個(gè)同時(shí)作用于二分光子糾纏態(tài)的兩方的可重配置五模式操作來實(shí)現(xiàn)該設(shè)備：首先，通過兩個(gè)芯片上的光子對(duì)源產(chǎn)生空間糾纏，然后操縱光子對(duì)源以連續(xù)調(diào)整可分辨性，并對(duì)2個(gè)模擬粒子交換對(duì)稱性；其次通過使用五個(gè)模式通用光學(xué)電路，兩個(gè)粒子在任何五頂點(diǎn)圖上經(jīng)歷連續(xù)時(shí)間量子漫步（continuous-time quantum walks，CTQWs）。

該芯片有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

一是提出可動(dòng)態(tài)編程實(shí)現(xiàn)多粒子量子漫步的光量子芯片結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)將該設(shè)備應(yīng)用于量子漫步算法，以搜索圖中的頂點(diǎn)并測試圖的同構(gòu)性，并在292個(gè)不同的圖形中的每個(gè)圖形上實(shí)現(xiàn)了多達(dá)100個(gè)采樣的量子步長演化時(shí)間步長。這為傳統(tǒng)上難處理的應(yīng)用打開了通往大規(guī)模可編程量子步態(tài)處理器的道路。

二是采用硅基集成光學(xué)技術(shù)，基于所提結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可編程光量子計(jì)算芯片。芯片上集成了糾纏光子源、可配置光學(xué)網(wǎng)絡(luò)等，通過電學(xué)調(diào)控片上元件實(shí)現(xiàn)對(duì)光量子態(tài)的操控，從而實(shí)現(xiàn)量子信息的編碼和量子算法的映射，具有高集成度、高穩(wěn)定性、高精確度等優(yōu)勢(shì)。

三是通過對(duì)所研制光量子計(jì)算芯片的編程運(yùn)行，演示了頂點(diǎn)搜索、圖同構(gòu)等圖論問題量子算法的求解。圖論問題是大數(shù)據(jù)處理等許多重要應(yīng)用的核心數(shù)學(xué)問題。在圖論問題求解上，各種量子算法較之經(jīng)典算法具有不同程度的計(jì)算加速潛力。隨著芯片規(guī)模和光子數(shù)目的增加，芯片可支持實(shí)現(xiàn)的圖問題規(guī)模快速增長。
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