我國量子晶片再出重要成果。國防科技大學計算機學院QUANTA團隊聯合軍事科學院、中山大學等國內外單位，研發出了新型可程式設計矽基光量子計算晶片，可實現多種圖論問題的量子演算法求解，有望未來在大資料處理等領域獲得應用。
根據論文介紹，研究人員在292個不同影象上，均實現了對100個量子漫步的時間步驟模擬，這為傳統上難處理的應用打開了通往大規模可程式設計量子步態處理器的道路。
這款新型晶片採用CMOS相容矽光子學方式製造，具備大規模生產潛力，未來或可用於實現量子資訊處理和量子模擬，為解決資料庫搜尋、圖同構問題提供量子加速。
什麼是量子漫步？從概念上來說，量子漫步（Quantum Walk）是一種量子物理世界的獨特數學模型，是一類重要的量子計算模型，也是許多量子演算法的重要核心。
要理解量子漫步，可以把它和經典隨機漫步（Random Walk）對比著來看。在經典隨機漫步中，一個粒子是隨機地繞著一個離散空間漫步。單位時間內，粒子每“漫步一步”的方向和位移由一個隨機變數來刻畫，有一半機率向左，一半機率向右。
在量子世界中，由於由疊加（superposition）、量子干涉（quantum interference）、糾纏（entanglement）等量子狀態的影響，粒子“漫步一次”的位移則具備著更多的可能性。換句話說，單位時間內，粒子不一定只能往左或往右，它可能同時往左又往右。
也正是得益於量子漫步的這種可能性，其速度也遠遠快於經典隨機漫步，同時還能夠加速模式識別、計算機視覺、網路分析和導航、網站流量最佳化等方面的應用。
在這次的新型可程式設計矽基光量子計算晶片，也正是基於這種結構，科研人員採用矽基整合光學技術，設計實現了可程式設計光量子計算晶片。晶片上集成了糾纏光子源、可配置光學網路等，透過電學調控片上元件實現對光量子態的操控，從而實現量子資訊的編碼和量子演算法的對映，具有高整合度、高穩定性、高精確度等優勢。
透過對所研製光量子計算晶片的程式設計執行，演示了頂點搜尋、圖同構等圖論問題量子演算法的求解。未來，隨著晶片規模和光子數目的增加，晶片可支援實現的圖問題規模將快速增長。
在292個不同影象上均實現了100個量子漫步的時間步驟模擬論文中表示，該可程式設計矽基光量子計算晶片尺寸為11×3平方毫米，主要由兩個部分組成：糾纏光子對的產生（entangled photon-pair generation）和通用線性光學變換（universal linear optical transformation）。
該晶片主要包括2個自發四波混合（SFWM）光子源，22個同時執行的熱光學移相器，32個多模干涉儀分光器，和16個光柵耦合器（未顯示）。
透過對所研製光量子計算晶片的程式設計執行，研究人員還演示了頂點搜尋、圖同構等圖論問題量子演算法的求解。結果顯示，研究人員藉助該晶片，在292個不同影象上均實現了100個量子漫步的時間步驟模擬。
“這種方式提供了完全的可程式設計性和對量子漫步特性的控制，因此，其相比模擬系統具備更大的靈活性和效能。相比數字量子計算機，（基於可程式設計矽基光量子計算晶片的）量子計算機更可能在短期內實現。”
在實現較大規模應用方面，基於可程式設計矽基光量子計算晶片量子計算機的糾纏結構可以透過兩種方式擴大，一個是增加光學網路的大小，另一個則可以透過使一個廣義P-partite糾纏光子態服從於廣網路的P副本，來模擬具有可調粒子相關性的P-particle的量子漫步。
經典計算發展路徑之下，最為重要的硬體產品——傳統矽基晶片，日益面臨著電晶體直徑逼近物理極限的問題。基於此，量子計算、革新晶片材料等研究方向成為一大熱門。
儘管傳統矽基芯片面臨著發展瓶頸，但作為代替方案的量子計算應用研究仍然處於初期階段。但是我們可以相信，在國防科技大學新型可程式設計矽基光量子計算晶片的帶領下，我國的量子計算技術在未來能夠快速落地應用。