极端光学创新研究团队与合作者在光量子计算芯片研究中取得系列重要进展-北京大学现代光学研究所

极端光学创新研究团队与合作者在光量子计算芯片研究中取得系列重要进展

发布日期：2021-12-31　　　　点击量：

近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、“极端光学创新研究团队”王剑威研究员和龚旗煌院士课题组与合作者在光量子计算芯片研究中取得重要进展。面向通用量子计算的应用，联合研究团队在硅基集成光量子芯片上实现了八量子比特簇态量子计算模型机，验证了量子纠错编码对量子计算性能的提升具有重要作用，相关研究成果发表于《自然·物理》（Nature Physics）；研究团队受《自然综述物理》（Nature Review Physics）邀请撰写光量子芯片综述论文，总结并分析了全球范围内集成光学量子信息技术的发展现状和前景。

北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、“极端光学创新研究团队”王剑威研究员与英国、丹麦学者合作，实现了一款面向通用量子计算应用的八量子比特簇态光量子计算芯片。该芯片可通过编程调控实现不同结构的量子图态和量子簇态，包括星型、链型和框型等结构，量子纠缠态保真度约达到80%，为基于测量的通用量子计算（measurement-based quantum computation）提供了重要的硬件资源。通过片上高维量子态等价量子比特和可实现任意纠缠操控的方式，验证了物理量子比特编码逻辑量子比特的纠错方案，比较了物理比特簇态量子计算和纠错逻辑比特簇态量子计算的性能。实验证明了纠错逻辑比特簇态量子计算，可显著提升量子门操作的保真度、提高量子隐形传态和量子相位估算等算法和功能的性能，例如可将量子相位估算的正确概率从62.5% 提升至95.8% 。硅基可编程簇态光量子计算芯片有望应用于近期含噪量子计算的相关应用。2021年9月27日，相关研究成果以“硅基光量子芯片上量子比特纠错”（Error-protected qubits in a silicon photonic chip）为题，在线发表于《自然·物理》（Nature Physics）；布里斯托尔大学Caterina Vigliar博士为论文第一作者，北京大学王剑威研究员、丹麦科技大学丁运鸿教授和布里斯托尔大学Anthony Laing教授为共同通讯作者。

图1 面向通用量子计算的硅基光量子计算芯片，实现了八量子比特簇态光量子计算芯片。通过编程重构量子芯片，制备了不同图量子纠缠态，在基于测量的量子计算架构下验证了典型量子计算算法，并验证了量子纠错编码对量子计算性能的提升具有重要作用。

王剑威研究员和龚旗煌院士课题组与中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授团队，中山大学刘进教授团队，以及来自德国、爱尔兰、美国、澳大利亚、奥地利、日本、荷兰和意大利学者等合作，受邀为《自然综述物理》（Nature Review Physics）撰写的综述论文“集成光学量子信息技术的全球发展展望”（The potential and global outlook of integrated photonics for quantum technologies），于2021年12月23日在线发表。爱尔兰科克大学Emanuele Pelucchi博士为第一作者，帕德博恩大学Klaus Jöns教授为通讯作者，北京大学团队与合作者合作，主要撰写光量子计算和量子模拟芯片部分。联合研究团队分析、总结了全球范围内光量子芯片技术的发展现状和应用前景：详细阐述了光量子芯片的先进材料体系、关键集成光量子器件、量子基础物理探索、前沿量子信息应用，包括量子计算、量子模拟、量子通信、量子精密测量等；归纳总结了亚洲、北美洲、欧洲和澳洲在光量子芯片领域的研究重点、经费支持和成果转化等；分析了光量子芯片发展所面临的挑战和机遇，有望充分融合大规模集成光学技术和量子信息技术，为量子计算、模拟、通信和精密测量等带来新的变革。

图2 集成光量子芯片示意图

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、广东省重点领域研发计划，以及量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、北京大学长三角光电科学研究院和北京量子信息科学研究院的支持。

近五年，王剑威研究员和龚旗煌院士团队在硅基光量子芯片领域取得了一系列重要研究成果，包括发展了国际上最高集成度的大规模硅基光量子芯片技术和片上高维度量子信息技术（Science 360, 285 (2018)），首次实现了片上四光子真纠缠和芯片间量子隐形传态（Nature Physics 16, 148 (2020)），首次实现了高斯玻色取样专用型光量子计算芯片（Nature Physics 15, 925 (2019)），研制了面向含噪量子信息应用的光量子计算和量子模拟芯片（Nature Physics 13, 551 (2017), Science Advances 4, 9646 (2018)），首次在大规模光量子芯片上证明了广义的多路径波粒二象性（Nature Communications 2, 2712 (2021)），及受邀撰写了集成光量子芯片技术综述（Nature Photonics 14, 273 (2020)；中国科学：物理学力学天文学 50(8), 084216(2020)）等。