在小指甲盖大小的芯片上构建一座光子城市 这些中国科学家作念到了！

念念象一下，要是咱们或者主宰光的各式目田度，致使是它的神秘身份——量子态，那会如何？

这恰是光量子野心所承诺的遗迹。

它不单是是超高速，它如故粗劣耗的、高带宽的，况兼或者同期处理多数信息，就像一个“超等光子大脑”。

然则，将这些光子集成在一个小小的光量子芯片上，就像是构建一座光子的城市，却是一项极其复杂的实验任务。

不外，好音信一经来了！

图1 超大规模集成光量子芯片的什物图

就在2023年4月，一个由北京大学王剑威参议员和龚旗煌辅导领衔的科研团队，通过与配合股伴的共同接力，成效料理了超大规模集成光量子芯片的制造难题，并掌抓了操控光量子态的关节时间。他们研发出了一款调动的光量子芯片——“博雅一号”。

这款“博雅一号”光量子芯片选拔了多光子时间，并初度达成了高维度量子纠缠态的制备与调控，这是光量子野心领域的一次要害打破。此外，科学家们还在该光量子芯片上成效演示了一种基于图论的、可编程的玻色采样量子野心任务。

这项参议效果被发表在外洋顶尖学术期刊《当然·光子学》上，论文标题为“超大规模集成的图量子光子学（Very-large-scale integrated quantum graph photonics）”，这是光量子野心领域的一大逾越，亦然咱们对往时科技的一次果敢念念象。

图2 发表于《当然·光子学》的“超大规模集成的图量子光子学”学术论文

一、当图论碰到光量子芯片——数学与物理的“双向奔赴”

念念象一下，你走进一个实验室，内部坐着两位科学家：一位是图论领域的数学家，另一位是光量子野心的物理学家。这个组合就像是科学界的“面包和花生酱”——一个宏大的组合，可能会产生出东说念主预感的适口。

数学家可能会先启齿，他的说话中充满了对图论的疼爱。他可能会说：“图论，就像是一种数学魔法，让咱们或者将复杂的宇宙简化成偏激和边。念念象一下，每个偏激齐是一个参议对象，每条边齐是参议对象之间的逻辑干系。咱们不错将城市比作偏激，说念路比作边，构建出一个城市间的交通网罗图。”

物理学家听到这个，眼睛坐窝亮了起来。他可能会快活地接着说：“这太棒了！在光量子野心中，咱们也在作念访佛的事情。咱们用光子，也等于光的粒子，来编织量子信息的光子网罗。就像你们数学家用偏激和边来式样复杂的宇宙，咱们也不错用光子和它们的量子干预效应来构建光量子野心的网罗。”

数学家和物理学家相视一笑，他们遒劲到，他们不错联袂创造遗迹。数学家补充说：“我不错将你的光子网罗出动为图论中的图，这么咱们就不错期骗数学器具来分析和优化光子的活动。”

图3 城市交通网罗的暗示图

物理学家欢快性求教：“没错！咱们不错想象实验，让光子在特定的旅途上穿梭，就像在图论中寻找最短旅途一样。这么，咱们就能构建出一座光子的城市，况兼创造出一种适用于光子运算的全新有探求呢。”

于是，他们驱动配合，将图论的可视化功能和光量子野心的宏大运算智力勾通起来。他们创造出了一种“可任性编程的玻色采样量子运算”门径，这种门径就像是为光子量身定作念的光子交通网罗，让它们以最高效的形态在光子的城市中穿梭。

二、玻色采样量子运算：缭乱有致的光子交通网罗

“玻色采样量子运算”听起来可能有些复杂，但它推行上是一种量子野心模子，旨在展示量子野神思在处理某些特定问题时，相较于经典野神思具有权贵的优厚性。

具体来说，玻色采样量子运算波及将多个光子（一种玻色子）送入一个线性光学网罗，这些光子在网罗中会产生量子干预。为了测量这些光子在光子网罗中的输出概率散播，咱们使用单光子探伤器来检测输出端口的光子散播情况。

需要防护的是，玻色采样量子运算的输出末端具有高度的立地性，况兼跟着光子数目的增多，野心输出的概率散播变得极其复杂。这使得经典野神思模拟玻色采样历程变得极其贫瘠，这种难度跟着光子数目的增多呈指数级增长。比拟之下，量子野神思或者更高效地处理这类任务。

图4 光量子芯片“博雅一号”的光子网罗暗示图

为了更直不雅地意会“可任性编程的玻色采样量子运算”，咱们不错将其念念象为构建一个眇小而复杂的光子交通网罗，访佛于城市交通系统，但专为光子想象。

在这个光子交通网罗中，光源就像是一座颠倒的汽运总站，它们发出小汽车一般的光子，而这些光子小汽车还不错彼此之间达成信息的互联互通。这些光源贯穿着一个缭乱有致的光子交通网罗，光子小汽车不错在其中目田穿梭。

“可任性编程的玻色采样量子运算”允许咱们凭据野心需求，任性探求光子小汽车的行驶旅途，从而优化这个光子交通网罗。这就像是在光子城市中寻找从点A到点B的最好阶梯。此外，科学家们还不错测量这个光子交通网罗的特定属性，这访佛于野心在一个复杂的光子城市网罗中有些许种形态不错让每辆光子小汽车找到泊车位。

图5 光子在光子城市中穿梭的暗示图

因此，基于图论的光量子野心实验推行上是期骗图论来想象和意会这个光子城市。图论就像交通舆图一样，匡助咱们意会光子城市的交通，同期也匡助科学家想象和权衡光子在光子交通网罗中的复杂活动。

三、在小小的芯片上，构建一座光子的城市

2022年诺贝尔物理学奖得主之一、奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）辅导，忽视了一个将图论和量子光学系统细巧勾通的表面架构。在这个架构中，科学家或者使用图论的可视化特色和数学器具来详备描摹光量子实验的野心历程，并探索全新的量子表情。

图6 光量子野心网罗与图论的对应干系

为了考据这一表面，北京大学王剑威参议员和龚旗煌辅导领衔的科研团队及配合者在光量子芯片中信得过地构建了一个光子的城市，而这块光量子芯片约莫独一小指甲盖那么大。在这个光子城市中，约有2500个精密的光学元件，况兼成效达成了基于图论的光量子野心和信息处理。

此外，科学家们还克服了大规模光量子芯片想象、制造、端正和实验测量的挑战，发展了大规模集成光量子芯片的制作时间和量子调控门径。这些参议效果标明，科学家们在往时或者批量坐蓐这么的光子城市，并凭据特定的野心需求来进行定制光子的交通网罗。

值得一提的是，科学家们还在光量子芯片中创造了一种颠倒的光子景色，称为“高维度的量子纠缠态”。这就像将无为的光子小汽车升级为双层或多层的光子超等巴士，极地面扩展了光子在传输历程中的信息维度。这些光子超等巴士相似也能通过分享彼此之间的量子纠缠态，从而达成信息的互联互通。

四、“博雅一号”为芯片和量子科技带来更多可能

正如前文所讲，在“博雅一号”光量子芯片上，科学家们赢得了权贵的建设：他们不仅成效制备了多光子高维度量子纠缠态，还达成了对其的精准端正、测量和考据。这些效果在图论的调处框架下得到了考据，讲明注解了该光量子芯片或者高效延迟图论有计划的量子信息处理和量子野心任务。

图7 光子量子态的艺术暗示图

这意味着什么呢？

它记号着咱们向基于图论的大规模集成光量子野心芯片迈出了遑急一步。它不仅展示了在微不雅规范上对光子进行精准端正的智力，还讲明注解了进行大规模集成量子光学实验的可行性。这些建设不仅具有长远的科研意思意思，更为量子时间的贸易化和规模化坐蓐奠定了坚实的基础。

参考文件

[1] Bao J, Fu Z, Pramanik T, et al. Very-large-scale integrated quantum graph photonics[J]. Nature Photonics, 2023, 17(7): 573-581.