把“命门”掌握在自己手中
摩尔定律提出后的半个多世纪 ， 日趋走向瓶颈的集成技术加上更高算力的巨大需求 ， 一再将它推向终结 。
“电子芯片的集成度已经到几个纳米级了 ， 如果再到原子级就走到极限了 ， 到那时 ， 线路间的电子会互相干涉而不能正常工作 ， 甚至散热都将面临极大挑战 ， 但人类的计算能力不能停止 。 ”上海交通大学物理与天文学院教授金贤敏正用光量子芯片 ， 试探量子计算的边界 。
近年来 ， 他针对量子信息技术的特点进一步发展了飞秒激光直写技术 ， 制备出世界最大规模的三维集成光量子芯片 ， 并演示了首个真正空间二维的随机行走量子计算 。 同时 ， 他在此芯片中构建了大规模六方粘合树 ， 并通过这种高可扩展性结构演示了量子快速到达算法内核 ， 相比经典情形最优效率提高10倍 。
芯片化、集成化成量子信息技术热点
【我国光量子芯片技术从跟跑转向并跑】闪烁的激光不断将光束投射在一张透明基片上 ， 很快 ， 一个刻有4800个光子回路的波导阵列 ， 以肉眼看不到的精度成型 。 不久的将来 ， 这种光量子芯片将载着一个或多个光子 ， 在数万个波导中“奔跑” ， 去证明量子计算的潜力和能量 。
在上海交通大学光子集成与量子信息实验室 ， 金贤敏正带着学生制备量子光学集成芯片 。
两年来 ， 他在南京大学陆延青教授领衔的国家重点研发计划“人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片”项目中 ， 承担光量子芯片等领域的研究 。
金贤敏介绍 ， 光量子芯片的研究从2008年左右在全球兴起 。 目前 ， 芯片化、集成化已经成为量子信息技术迈向实用化的研究热点和战略方向 ， 牛津大学、布里斯托大学、罗马大学、麻省理工学院等名校已经开始在光量子芯片和量子计算等领域发力 。
不过 ， 2014年金贤敏回国时 ， 国内的相关研究刚起步 。 金贤敏整整想了一年多 ， 最终确定基于飞秒激光直写的三维集成光量子芯片的研发 ， 来解决量子系统的物理可扩展性瓶颈；同时 ， 拓展由空到海的量子通信和量子探测的探索 ， 发展可在室温下运行的宽带量子存储技术 。
不发表论文 ， 沉寂4年攻克关键技术
目前 ， 国际上有关光量子芯片的制备工艺涉及飞秒激光直写、离子交换、UV激光直写以及硅基工艺等加工方式 。
“此前的飞秒激光直写技术主要集中在构建二维光子线路上 ， 但对于大算力的光量子芯片来说 ， 三维集成的优势更明显 ， 这可以让芯片中的量子系统复杂度更高、维度更大、节点更多 ， 从而提高量子计算的算力 。 ”金贤敏表示 ， 从2014年起 ， 他开始带领团队用飞秒激光直写技术攻克三维集成技术 。
所谓飞秒激光直写 ， 是在几百飞秒时间内 ， 将一个脉冲的能量释放在芯片基底的每个焦点附近 ， 通过移动激光 ， 在芯片中“写”出光子线路 。 “因为激光脉冲非常短 ， 直写时能量在几百飞秒时间内被吸收 ， 所以热量还没有来得及散发就以改变材料属性的方式固化下来 ， 我们就可以很平滑地改变芯片内部的性质 ， 形成高品质的光子线路 。 ”金贤敏说 。
然而 ， 激光汇聚到芯片中 ， 在不同的深度 ， 被芯片吸收的程度不同 ， 导致呈现不同的特性 。 为了将量子光信号束缚住 ， 从2014年到2018年 ， 金贤敏和团队成员一起翻看文献 ， 研究复杂的技术特点 ， 不断设计激光走向、编写代码、调整波导中光束的折射率 ， 生成自己的“秘密配方” 。
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