发布日期：2024-10-15 08:36    点击次数：114

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思象一下，淌若咱们大致主管光的各式解放度，以致是它的量子态，会发生什么？

这恰是光量子计较将要制造的古迹。

它不仅超高速，还具有粗劣耗、高带宽的性格，况兼大致同期处理深入信息，就像一个"超等光子大脑"。然则，将这些光子集成在一个小小的光量子芯片上，就像是构建一座光子城市，是一项极其复杂的实验任务。

不外，好音尘照旧来了！

超大边界集成光量子芯片的什物图。图片起首：参考文件 [ 1 ]

就在 2023 年 4 月，由北京大学王剑威征询员和龚旗煌造就领衔的科研团队，通过与调解伙伴的共同勤奋，生效料理了超大边界集成光量子芯片的制造难题，并掌执了操控光量子态的要道时间，他们研发出了一款改造的光量子芯片——"博雅一号"。

这款"博雅一号"光量子芯片继承多光子时间，并初度终明晰高维度量子纠缠态的制备与调控，是光量子计较领域的一次环节蹧蹋。此外，科学家们还在该光量子芯片上生效演示了一种基于图论的、可编程的玻色采样量子计较任务。

这项征询恶果被发表在海外顶尖学术期刊《当然 · 光子学》（Nature Photonics）上，论文标题为"超大边界集成的图量子光子学（Very-large-scale integrated quantum graph photonics）"，这是光量子计较领域的一大越过，亦然咱们对曩昔科技的一次斗胆思象。

发表于《当然 · 光子学》（Nature Photonics）的"超大边界集成的图量子光子学"学术论文。图片起首：参考文件 [ 1 ]

数学与物理的"双向奔赴"

思象一个画面，你走进实验室，内部坐着两位科学家：一位是图论领域的数学家，另一位是光量子计较领域的物理学家。这个组合就像是科学界的"面包"和"花生酱"，这个强大的组合，可能会产生出东谈主料思的"厚味"。

数学家可能会先启齿，他的语言中充满了对图论的怜爱，他可能会说："图论，就像是一种数学魔法，让咱们大致将复杂的全国简化成过头和边。思象一下，每个过头齐是一个征询对象，每条边齐是征询对象之间的逻辑探讨。咱们不错将城市比作过头，谈路比作边，构建出一个城市间的交通麇集图。"

物理学家听到后，眼睛坐窝亮了起来，他可能会欣慰地接着说："这太棒了！在光量子计较中，咱们也在作念雷同的事情。咱们用光子，也便是光的粒子，编织量子信息的光子麇集，就像你们数学家用过头和边来描摹复杂的全国，咱们也不错用光子和它们的量子干预效应来构建光量子计较的麇集。"

数学家和物理学家相视一笑，他们领略到，两边不错联袂创造古迹。数学家补充说："咱们不错将你们的光子麇集振荡为图论中的图，这么就不错行使数学器具来分析和优化光子的活动。"

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物理学家喜悦性回复："没错！咱们不错联想实验，让光子在特定的旅途上穿梭laosege，就像在图论中寻找最短旅途一样。这么，咱们就能构建出一座光子城市，况兼创造出一种适用于光子运算的全新决策。"

于是，他们运行调解，将图论的可视化功能和光量子计较的强大运算身手勾搭起来，创造出了一种"可落拓编程的玻色采样量子运算"才能，这种才能就像是为光子量身定作念的光子交通麇集，让它们以最高效的神情在光子城市中穿梭。

      玻色采样量子运算：

犬牙交错的光子交通麇集

"玻色采样量子运算"听起来可能有些复杂，但履行上它是一种量子计较模子，旨在展示量子计较机在处理某些特定问题时，相较于经典计较机，具有权贵的优胜性。

具体来说，玻色采样量子运算触及将多个光子（一种玻色子）送入一个线性光学麇集，这些光子在麇集合会产生量子干预。为了测量这些光子在光子麇集合的输出概率漫步，咱们使用单光子探伤器来检测输出端口的光子漫步情况。

需要珍视的是，玻色采样量子运算的输出扫尾具有高度的立时性，况兼跟着光子数目的加多，计较输出的概率漫步变得极其复杂，这使得经典计较机模拟玻色采样历程变得极其贫瘠，这种难度跟着光子数目的加多呈指数级增长，比拟之下，量子计较机大致更高效地处理这类任务。

光量子芯片"博雅一号"光子麇集暗示图。图片起首：参考文件 [ 1 ]

为了更直不雅地领略"可落拓编程的玻色采样量子运算"，咱们不错将其思象成在构建一个微弱而复杂的光子交通麇集，雷同于城市交通系统，但这是专为光子联想的。

在这个光子交通麇集合，光源就像是一座突出的汽运总站，它们发出小汽车一般的光子，这些"光子小汽车"互相之间不错终了信息的互联互通，这些光源齐集着一个犬牙交错的光子交通麇集，"光子小汽车"不错在其中解放穿梭。

可落拓编程的"玻色采样量子运算"允许咱们笔据计较需求，落拓策动"光子小汽车"的行驶旅途，优化光子交通麇集，这就像是在光子城市中寻找从点 A 到点 B 的最好门道。此外，科学家们还不错测量这个光子交通麇集的特定属性，这雷同于在计较，一个复杂的光子城市麇集合有若干种神情不错让每辆"光子小汽车"找到泊车位。

光子穿梭暗示图。图库版权图片，转载使用可能激励版权纠纷

因此，基于图论的光量子计较实验履行上是行使图论来联想和领略这个"光子城市"。图论就像交通舆图一样，匡助咱们领略"光子城市"的交通，同期也匡助科学家联想和展望光子在交通麇集合的复杂活动。

芯片上的"光子城市"

2022 年诺贝尔物理学奖得主之一、奥地利科学家安东 · 蔡林格（Anton Zeilinger）造就，提倡了一个将图论和量子光学系统雅致无比勾搭的表面架构。在这个架构中，科学家大致使用图论的可视化性格和数学器具详备形容光量子实验的计较历程，并探索全新的量子表象。

光量子计较麇集与图论的对应探讨。图片起首：参考文件 [ 1 ]

为了考证这一表面，北京大学王剑威征询员和龚旗煌造就领衔的科研团队及调解者在光量子芯片中着实地构建了一个"光子城市"，而这块光量子芯片大致独一小指甲盖那么大。在这个"光子城市"中，约有 2500 个精密的光学元件，况兼生效终明晰基于图论的光量子计较和信息处理。

此外，科学家们还克服了大边界光量子芯片联想、制造、截止和实验测量的挑战，发展了大边界集成光量子芯片的制作时间和量子调控才能。这些征询恶果标明，科学家们曩昔大致批量坐褥这么的"光子城市"，并笔据特定的计较需求定制光子的交通麇集。

值得一提的是，科学家们还在光量子芯片中创造了一种突出的光子景况，称为"高维度的量子纠缠态"，这就像将粗俗的"光子小汽车"升级为双层或多层的"光子超等巴士"，极地面扩张了光子在传输历程中的信息维度。这些"光子超等巴士"不异也能通过分享互相之间的量子纠缠态，终了信息的互联互通。

            "博雅一号"：

为光量子计较带来更多可能

正如前文所讲，在"博雅一号"光量子芯片上，科学家们赢得了权贵的配置：他们不仅生效制备了多光子高维度量子纠缠态，还终明晰对其的精准截止、测量和考证。这些恶果在图论的长入框架下得到了考证，阐明了该光量子芯片大致高效推行图论探讨的量子信息处理和量子计较任务。

这意味着咱们向基于图论的大边界集成光量子计较芯片迈出了紧迫一步。它不仅展示了在微不雅表率上对光子进行精准截止的身手，还阐明了进行大边界集成量子光学实验的可行性。这些配置不仅具有深远的科研真理，更为量子时间的贸易化和边界化坐褥奠定了坚实的基础。

参考文件

Bao J， Fu Z， Pramanik T， et al. Very-large-scale integrated quantum graph photonics [ J ] . Nature Photonics， 2023， 17 ( 7 ) : 573-581.

筹划制作

出品丨科普中国

作家丨栾春阳 清华大学物理系博士

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林

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