北京大學王劍威研究員、龔旗煌教授課題組與合作者經(jīng)過6年聯(lián)合攻關，研制了基于超大規(guī)模集成硅基光子學的圖論“光量子計算芯片”——“博雅一號”，發(fā)展出了超大規(guī)模集成硅基光量子芯片的晶圓級加工和量子調控技術，首次實現(xiàn)了片上多光子高維度量子糾纏態(tài)的制備與調控，演示了基于圖論的可任意編程玻色取樣專用型量子計算。相關研究成果日前以《超大規(guī)模集成的圖量子光子學》為題，在線發(fā)表于《自然·光子學》。
研究團隊介紹，圖論是數(shù)學和計算機科學的一個重要分支，可以用來描述被研究對象間的復雜關系。圖論也為描述與刻畫量子態(tài)、量子器件和量子系統(tǒng)等提供了強有力的數(shù)學工具，如圖糾纏態(tài)是通用量子計算的重要資源態(tài)，量子行走可以模擬圖網(wǎng)絡結構，圖可以描述量子關聯(lián)、研究量子網(wǎng)絡等。圖論“光量子計算芯片”是一種以數(shù)學圖論為理論架構，描述、映射并在芯片上實現(xiàn)光量子計算功能的新型量子計算技術。
北京大學課題組與合作者經(jīng)過六年聯(lián)合攻關，發(fā)展出了基于互補金屬氧化物半導體工藝的晶圓級大規(guī)模集成硅基光量子芯片制備技術和量子調控方法，研制了一款集成約2500個元器件的超大規(guī)模光量子芯片，實現(xiàn)了基于圖論的光量子計算和信息處理功能。這一光量子芯片可與復數(shù)圖完全一一對應，圖的邊對應關聯(lián)光子對源，頂點對應光子源到探測器的路徑，芯片輸出多重光子計數(shù)對應于圖的完美匹配。通過編程該光量子芯片可任意重構八頂點無向復圖，并執(zhí)行與圖對應的量子信息處理和量子計算任務。
量子糾纏是研究量子基礎物理和量子計算前沿應用的核心資源。然而，如何在芯片上制備多光子且高維度的量子糾纏態(tài)，一直存在諸多理論和實驗挑戰(zhàn)。研究團隊利用該光量子芯片，首次實現(xiàn)了多光子且高維度的量子糾纏態(tài)的制備、操控、測量和糾纏驗證，驗證了四光子三維GHZ真糾纏。在圖論統(tǒng)一架構下，單一芯片編程實現(xiàn)了多種重要量子糾纏態(tài)。多光子高維糾纏可為高維通用型量子計算提供關鍵資源態(tài)。據(jù)介紹，基于圖論的可編程玻色取樣專用型量子計算芯片有望為化學分子模擬、圖優(yōu)化求解、量子輔助機器學習等提供有效解決方案。
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