實現量子信息的有效傳輸、處理和計算，是推動量子計算機發展的關鍵。近日，丹麥科技大學硅基光學通信研究中心高級研究員丁運鴻、北京大學物理學院現代光學研究所研究員王劍威以及英國布里斯托爾大學教授Stefano Paesani等組成的國際合作團隊利用硅基光量子芯片技術，研發出一款集成化的專用型光量子計算和量子模擬器。相關研究成果于7月2日發表在《自然—物理》雜志。

量子計算機有著超越經典計算機的強大計算能力，有望解決一些經典計算機不能有效解決的特殊且重要的問題。在量子計算機發展過程中，存在兩大主要技術挑戰：一是如何搭建一個龐大、可控的量子器件和量子系統；二是如何制備與調控多體單量子態來，從而達到對量子信息的傳輸、處理與計算等功能。

硅基納米集成光量子芯片技術被認為非常有潛力解決上述難題。事實上，該國際合作團隊于去年便研發出了一款集成近1000個光子元器件的大規模硅基光量子芯片，實現了對高維度光子量子糾纏體系的高精度和普適化量子調控和量子測量。但當時還存在的問題是，如何在光量子芯片上制備出多光子態，并實現高效的量子信息處理和計算功能。

“本研究為解決該問題提供了解決方案。”論文通訊作者之一丁運鴻告訴《中國科學報》，硅基光量子芯片技術以單光子態為載體來攜帶量子信息，利用納米尺度（比頭發絲還要小100倍）的硅波導光子器件來對量子信息進行有效的傳輸、操控與測量。“更關鍵的是，硅基光量子芯片的制備工藝和當前成熟的微電子芯片的制備工藝完全兼容，這使得未來構建大規模硅基光量子信息處理硬件和內核成為可能。”?

本研究中，研究人員通過優化設計、加工高性能的硅基集成單光子源陣列，成功制備了8個光子量子態，并使之在12種模式低損耗波導陣列的結構中發生高質量的量子干涉。通過重構芯片的非線性量子光源陣列，該光量子處理器芯片可以實現兩類重要的量子玻色采樣算法，包括觸發型玻色采樣和高斯玻色采樣算法。

此外，研究人員還利用量子玻色采樣，模擬了化學分子中本征振動模式的動態演化過程，這為光學專用量子計算機在模擬復雜物理化學體系上的應用提供了有力的實驗依據。研究分析表明，進一步優化芯片上器件性能，有望實現約20個光子的專用量子計算和量子模擬器，以及有效解決一些復雜物理化學體系的量子模擬問題。

丁運鴻表示，“硅基光子集成芯片技術是一項非常強大的技術，可廣泛應用于量子信息的各個領域。基于該技術開發出了硅基光量子處理芯片，這使得我們更有信心在不久的將來達到‘量子優勢’。光量子技術結合硅基光子集成技術，將在未來量子技術中發揮重要作用。”

論文共同通訊作者王劍威也指出，集成光量子信息處理芯片具有非常優越的可擴展性、可控性和可編程性，適合構建一個專用的光量子信息處理和光量子計算模擬內核。“未來，我們希望通過發展大規模集成的光量子芯片硬件，探索量子計算在模擬物理過程和化學分子結構中的應用。”