新一代信息技術革命“缺芯”不可重演

幾天前，全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”傳來喜訊，在軌測試運行狀態良好。而在量子通信領域的另一重要分支———量子計算中，滬上也有一家實驗室不斷取得突破，這就是上海交通大學光子集成與量子信息實驗室，它是世界上為數不多的、同時具備了光量子集成芯片設計加工集成能力和多光子糾纏制備能力的實驗室，實驗室領頭人、上海交大物理與天文系特別研究員金賢敏今年才36歲，由于在量子領域的突出貢獻，去年他被達沃斯世界經濟論壇授予青年科學家獎。

“我國電子信息產業一直飽受沒有自主芯片技術之苦，因此，新一代信息技術革命中‘缺芯’問題絕不可在中國再次重演。雖然量子信息技術的真正實用化仍然在路上，但是芯片化集成這一戰略方向，一定要給予足夠重視。”金賢敏說。

借助光子集成芯片，一次制備有望抓取14光子

在金賢敏的實驗室中，有幾個1.25米寬、3米長的工作臺，上面插滿了黑色的鏡片，學生往往需要趴在工作臺上連續工作好幾個小時，經過反復激發、調試，才能捕捉到一對糾纏態的光子。

目前最高的制備能力，是由我國潘建偉院士團隊保持的10光子紀錄，老外把這一制備能力稱為“史詩般的、英雄主義般的”，因為想要多捕捉一對光子，成功率就下降100倍，因此10光子幾乎已經到達人類手工制備能力的極限，再增加一對光子也幾近是不可能完成的任務。

經歷了早期的理論與原理實驗驗證，量子信息技術正在由實驗室演示邁向器件制備和芯片化的新階段。

“宏觀光學器件的損耗、操控精度和穩定性等看似技術性的難題，實際上已經成為無法突破的原理性瓶頸。我們利用集成光子學，可以把包括多光子糾纏在內的大規模復雜光子線路制備在幾個厘米大小的光子集成芯片上，在操控量子系統的尺度和復雜度上達到全新的水平。”金賢敏說。

據透露，借助光子集成芯片，一次制備有望抓取14光子。

1平方毫米芯片內刻下5000個光波導

2014年，金賢敏離開光量子集成芯片研究方面國際頂尖的牛津大學伊恩·沃姆斯利研究團隊，放棄牛津大學物理系講師的職位，回到上海交大創建自己的實驗室。他僅用兩年時間就完成了光量子芯片制備的平臺搭建和技術參數摸索工作，并在芯片的光損耗和三維集成等關鍵技術能力上實現了超越。

“回國到底要做什么研究？　這個問題我考慮了很久。從新一代飛秒激光直寫光量子集成芯片裝置的設計和搭建，到未來科學技術目標，既要極有前景又不能跟風。”金賢敏說。以光量子計算為例，不同于提高多光子個數的傳統方法，金賢敏希望能另辟蹊徑，從量子演化系統的物理尺度本身著手，通過構建大規模、高復雜度和三維集成的光量子集成芯片，來提高量子計算的能力。

現在能夠實現的量子計算系統看上去仍然像個“玩具”，幾平方米的光學平臺上擺滿宏觀光學元器件，也只相當于幾個量子單元，無法實現大規模量子計算。

“雖然硅基光子學芯片技術比較成熟，但是耦合損耗和傳輸損耗都很大，耦合穩定性也比較差。我們知道量子信息是通過單光子編碼的，損耗意味著信息丟失，這是關鍵差別。”金賢敏說。為此，他使用了更加適合量子傳輸的飛秒直寫技術來刻寫芯片，從而在損耗、精度、三維能力和可調控等量子信息方面有了質的突破，如今一塊1平方毫米的芯片上，能刻下5000個光波導。

室溫下運行的寬帶量子存儲技術

無論對于量子計算還是量子通信，存儲都是至關重要的一環，它要解決的是讓以30萬公里每秒飛行的光子可控地停下來。目前，可做到單光子級別的光存儲器大多要在超低溫等特殊環境下運行，且系統復雜、龐大且昂貴，無法滿足實用化要求。包括哈佛大學和牛津大學在內的很多國際小組都在追尋可在室溫下運行的寬帶存儲技術。科學家們雖然嘗試了不同的方法，仍然無法取得突破。很多科學家甚至放狠話說：“室溫存儲就是條死路。”然而這個卡脖子問題不解決，量子通信和量子計算走進千家萬戶仍是空中樓閣。據金賢敏透露，他已經做出了可在室溫下運行的寬帶光存儲技術，不過他并沒有透露更多細節。

我們距離量子計算還有多遠？從目前來看，困難還不少。最近，市科委一次性支持的400萬元到位令金賢敏分外高興。“其實當時回國選擇自主做光量子集成芯片制備而不是委托國外加工，是做了很長時間?想斗爭的，初期相對巨大的經費和時間投入，對年輕團隊來說壓力很大。但就像上海交大杰出校友葉軍給我的建議‘要做有前景有意義的事情，想想這件事情5年以后你是否還會在做，還值得做’。”在新一代信息技術革命中，有一批金賢敏般的科學家正在努力。