幾天前，全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”傳來(lái)喜訊，在軌測(cè)試運(yùn)行狀態(tài)良好。而在量子通信領(lǐng)域的另一重要分支———量子計(jì)算中，滬上也有一家實(shí)驗(yàn)室不斷取得突破，這就是上海交通大學(xué)光子集成與量子信息實(shí)驗(yàn)室，它是世界上為數(shù)不多的、同時(shí)具備了光量子集成芯片設(shè)計(jì)加工集成能力和多光子糾纏制備能力的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)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(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，去年他被達(dá)沃斯世界經(jīng)濟(jì)論壇授予青年科學(xué)家獎(jiǎng)。

“我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)一直飽受沒(méi)有自主芯片技術(shù)之苦，因此，新一代信息技術(shù)革命中‘缺芯’問(wèn)題絕不可在中國(guó)再次重演。雖然量子信息技術(shù)的真正實(shí)用化仍然在路上，但是芯片化集成這一戰(zhàn)略方向，一定要給予足夠重視?！苯鹳t敏說(shuō)。

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(shí)驗(yàn)室中，有幾個(gè)1.25米寬、3米長(zhǎng)的工作臺(tái)，上面插滿了黑色的鏡片，學(xué)生往往需要趴在工作臺(tái)上連續(xù)工作好幾個(gè)小時(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)激發(fā)、調(diào)試，才能捕捉到一對(duì)糾纏態(tài)的光子。

目前最高的制備能力，是由我國(guó)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)保持的10光子紀(jì)錄，老外把這一制備能力稱(chēng)為“史詩(shī)般的、英雄主義般的”，因?yàn)橄胍嗖蹲揭粚?duì)光子，成功率就下降100倍，因此10光子幾乎已經(jīng)到達(dá)人類(lèi)手工制備能力的極限，再增加一對(duì)光子也幾近是不可能完成的任務(wù)。

經(jīng)歷了早期的理論與原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，量子信息技術(shù)正在由實(shí)驗(yàn)室演示邁向器件制備和芯片化的新階段。

“宏觀光學(xué)器件的損耗、操控精度和穩(wěn)定性等看似技術(shù)性的難題，實(shí)際上已經(jīng)成為無(wú)法突破的原理性瓶頸。我們利用集成光子學(xué)，可以把包括多光子糾纏在內(nèi)的大規(guī)模復(fù)雜光子線路制備在幾個(gè)厘米大小的光子集成芯片上，在操控量子系統(tǒng)的尺度和復(fù)雜度上達(dá)到全新的水平。”金賢敏說(shuō)。

據(jù)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(nèi)刻下5000個(gè)光波導(dǎo)

2014年，金賢敏離開(kāi)光量子集成芯片研究方面國(guó)際頂尖的牛津大學(xué)伊恩·沃姆斯利研究團(tuán)隊(duì)，放棄牛津大學(xué)物理系講師的職位，回到上海交大創(chuàng)建自己的實(shí)驗(yàn)室。他僅用兩年時(shí)間就完成了光量子芯片制備的平臺(tái)搭建和技術(shù)參數(shù)摸索工作，并在芯片的光損耗和三維集成等關(guān)鍵技術(shù)能力上實(shí)現(xiàn)了超越。

“回國(guó)到底要做什么研究？　這個(gè)問(wèn)題我考慮了很久。從新一代飛秒激光直寫(xiě)光量子集成芯片裝置的設(shè)計(jì)和搭建，到未來(lái)科學(xué)技術(shù)目標(biāo)，既要極有前景又不能跟風(fēng)。”金賢敏說(shuō)。以光量子計(jì)算為例，不同于提高多光子個(gè)數(shù)的傳統(tǒng)方法，金賢敏希望能另辟蹊徑，從量子演化系統(tǒng)的物理尺度本身著手，通過(guò)構(gòu)建大規(guī)模、高復(fù)雜度和三維集成的光量子集成芯片，來(lái)提高量子計(jì)算的能力。

現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)的量子計(jì)算系統(tǒng)看上去仍然像個(gè)“玩具”，幾平方米的光學(xué)平臺(tái)上擺滿宏觀光學(xué)元器件，也只相當(dāng)于幾個(gè)量子單元，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算。

“雖然硅基光子學(xué)芯片技術(shù)比較成熟，但是耦合損耗和傳輸損耗都很大，耦合穩(wěn)定性也比較差。我們知道量子信息是通過(guò)單光子編碼的，損耗意味著信息丟失，這是關(guān)鍵差別?！苯鹳t敏說(shuō)。為此，他使用了更加適合量子傳輸?shù)娘w秒直寫(xiě)技術(shù)來(lái)刻寫(xiě)芯片，從而在損耗、精度、三維能力和可調(diào)控等量子信息方面有了質(zhì)的突破，如今一塊1平方毫米的芯片上，能刻下5000個(gè)光波導(dǎo)。

室溫下運(yùn)行的寬帶量子存儲(chǔ)技術(shù)

無(wú)論對(duì)于量子計(jì)算還是量子通信，存儲(chǔ)都是至關(guān)重要的一環(huán)，它要解決的是讓以30萬(wàn)公里每秒飛行的光子可控地停下來(lái)。目前，可做到單光子級(jí)別的光存儲(chǔ)器大多要在超低溫等特殊環(huán)境下運(yùn)行，且系統(tǒng)復(fù)雜、龐大且昂貴，無(wú)法滿足實(shí)用化要求。包括哈佛大學(xué)和牛津大學(xué)在內(nèi)的很多國(guó)際小組都在追尋可在室溫下運(yùn)行的寬帶存儲(chǔ)技術(shù)?？茖W(xué)家們雖然嘗試了不同的方法，仍然無(wú)法取得突破。很多科學(xué)家甚至放狠話說(shuō)：“室溫存儲(chǔ)就是條死路?！比欢@個(gè)卡脖子問(wèn)題不解決，量子通信和量子計(jì)算走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)仍是空中樓閣。據(jù)金賢敏透露，他已經(jīng)做出了可在室溫下運(yùn)行的寬帶光存儲(chǔ)技術(shù)，不過(guò)他并沒(méi)有透露更多細(xì)節(jié)。

我們距離量子計(jì)算還有多遠(yuǎn)？從目前來(lái)看，困難還不少。最近，市科委一次性支持的400萬(wàn)元到位令金賢敏分外高興。“其實(shí)當(dāng)時(shí)回國(guó)選擇自主做光量子集成芯片制備而不是委托國(guó)外加工，是做了很長(zhǎng)時(shí)間?想斗爭(zhēng)的，初期相對(duì)巨大的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間投入，對(duì)年輕團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)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(huì)在做，還值得做’?！痹谛乱淮畔⒓夹g(shù)革命中，有一批金賢敏般的科學(xué)家正在努力。