圖片來(lái)源：強(qiáng)曉剛/布里斯托大學(xué)

通過(guò)允許將數(shù)十億個(gè)晶體管封裝在單個(gè)芯片上，硅為我們擁有今天的計(jì)算機(jī)做出了舉足輕重的貢獻(xiàn)。而且，將來(lái)還會(huì)出現(xiàn)基于它的更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

最近，一個(gè)由中國(guó)、英國(guó)和澳大利亞的研究人員組成的合作研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種可對(duì)單光子進(jìn)行操縱以制造光量子處理器的硅芯片。“我們制造了一種光量子處理器，它可以創(chuàng)建和操縱使用光子編碼的兩個(gè)量子比特，可用于通用的雙量子比特量子計(jì)算。” 位于長(zhǎng)沙的國(guó)防科技大學(xué)的助理研究員強(qiáng)曉剛說(shuō)。他是發(fā)表在9月期的《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上的論文“Large-scale silicon quantum photonics implementing arbitrary two-qubit processing”的第一作者，這篇論文介紹了這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究成果。

量子計(jì)算建立在量子力學(xué)不可思議的規(guī)則基礎(chǔ)上，這使得它有可能執(zhí)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的計(jì)算，例如快速破解加密代碼或模擬大爆炸。量子計(jì)算機(jī)基于量子比特，后者類似于傳統(tǒng)計(jì)算中的比特。但與我們熟悉的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1和0不同的是，量子比特可以疊加，同時(shí)保持多個(gè)狀態(tài)，從而擴(kuò)大了其計(jì)算能力。它們也可以糾纏在一起，因此測(cè)量一個(gè)量子比特可以提供有關(guān)另一個(gè)量子比特狀態(tài)的信息。

IBM和Google等公司都在努力開(kāi)發(fā)具有足夠多相連在一起的量子比特的設(shè)備來(lái)執(zhí)行強(qiáng)大的計(jì)算。但到目前為止，它們只實(shí)現(xiàn)了將幾十個(gè)量子比特相連接。最有競(jìng)爭(zhēng)力的量子比特是超導(dǎo)量子比特，采用激光捕獲離子和原子并將它們冷卻到冷卻到接近絕對(duì)零度。超導(dǎo)量子比特的問(wèn)題在于，隨著系統(tǒng)中量子比特?cái)?shù)的增加，它們與外部世界交互的可能性越大，它們就越有可能失去量子態(tài)（即相干態(tài)），并變得無(wú)用。

但光子不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題，強(qiáng)曉剛說(shuō)。“光子不會(huì)與環(huán)境相互作用，因此我們不會(huì)遭遇相干態(tài)時(shí)間短的問(wèn)題。”他說(shuō)，光子也可以被超高精度操縱。當(dāng)然，它們是以光速傳播的。最重要的是，光子芯片可以利用計(jì)算機(jī)行業(yè)已經(jīng)建立的整個(gè)基于硅的基礎(chǔ)設(shè)施。

這種芯片由很多個(gè)干涉儀組成，這些干涉儀將光子分成不同的空間模式。每個(gè)模式都穿過(guò)一個(gè)特定的波導(dǎo)，這樣使一個(gè)光子在一個(gè)波導(dǎo)中代表a 1，而在另一個(gè)波導(dǎo)中它代表a 0。知道一個(gè)光子走的是哪條路徑，就可以知道它的糾纏伙伴走的是哪個(gè)路徑。

光子使用由電壓控制的熱光移相器進(jìn)行編碼。強(qiáng)曉剛說(shuō)：“移相器的不同設(shè)置控制著光子在干涉儀中的傳播行為，使不同的量子比特狀態(tài)編碼和不同的量子操作成為可能。”

為了將該系統(tǒng)擴(kuò)展成真正有用的東西，研究人員需要找到某種辦法，在芯片上產(chǎn)生更多相同的糾纏光子。在芯片上安裝足夠多的移相器、分束器和其他光學(xué)元件來(lái)處理所有這些光子，也是一項(xiàng)工程挑戰(zhàn)。但強(qiáng)曉剛表示，硅光子學(xué)已經(jīng)顯示出了將許多元件塞進(jìn)狹小空間并使它們?nèi)恳愿呔裙ぷ鞯哪芰Γ?ldquo;因此，它實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)最終的大規(guī)模光量子處理器的可行方法。”