想象一下，如果我们能够操纵光的各种自由度，甚至是它的秘密身份——量子态，那会怎样？
这正是光量子计算所承诺的奇迹。
它不仅仅是超高速，它还是低能耗的、高带宽的，并且能够同时处理大量信息，就像一个“超级光子大脑”。
但是，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。
不过，好消息已经来了！
图1 超大规模集成光量子芯片的实物图
（图片来源：Nature Photonics）参考文献[1]
就在2023年4月，一个由北京大学王剑威研究员和龚旗煌教授领衔的科研团队，通过与合作伙伴的共同努力，成功解决了超大规模集成光量子芯片的制造难题，并掌握了操控光量子态的关键技术。他们研发出了一款创新的光量子芯片——“博雅一号”。
这款“博雅一号”光量子芯片采用了多光子技术，并首次实现了高维度量子纠缠态的制备与调控，这是光量子计算领域的一次重大突破。此外，科学家们还在该光量子芯片上成功演示了一种基于图论的、可编程的玻色采样量子计算任务。
这项研究成果被发表在国际顶尖学术期刊《自然·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）”，这是光量子计算领域的一大进步，也是我们对未来科技的一次大胆想象。
图2 发表于《自然·光子学》的“超大规模集成的图量子光子学”学术论文
（图片来源：Nature Photonics）参考文献[1]
一、当图论遇到光量子芯片——数学与物理的“双向奔赴”
想象一下，你走进一个实验室，里面坐着两位科学家：一位是图论领域的数学家，另一位是光量子计算的物理学家。这个组合就像是科学界的“面包和花生酱”——一个强大的组合，可能会产生意想不到的美味。
数学家可能会先开口，他的话语中充满了对图论的热爱。他可能会说：“图论，就像是一种数学魔法，让我们能够将复杂的世界简化成顶点和边。想象一下，每个顶点都是一个研究对象，每条边都是研究对象之间的逻辑关系。我们可以将城市比作顶点，道路比作边，构建出一个城市间的交通网络图。”
物理学家听到这个，眼睛立刻亮了起来。他可能会兴奋地接着说：“这太棒了！在光量子计算中，我们也在做类似的事情。我们用光子，也就是光的粒子，来编织量子信息的光子网络。就像你们数学家用顶点和边来描绘复杂的世界，我们也可以用光子和它们的量子干涉效应来构建光量子计算的网络。”
数学家和物理学家相视一笑，他们意识到，他们可以携手创造奇迹。数学家补充说：“我可以将你的光子网络转化为图论中的图，这样我们就可以利用数学工具来分析和优化光子的行为。”
图3 城市交通网络的示意图
（图片来源：VEER图库）
物理学家开心地回应：“没错！我们可以设计实验，让光子在特定的路径上穿梭，就像在图论中寻找最短路径一样。这样，我们就能构建出一座光子的城市，并且创造出一种适用于光子运算的全新方案呢。”
于是，他们开始合作，将图论的可视化功能和光量子计算的强大运算能力结合起来。他们创造出了一种“可任意编程的玻色采样量子运算”方法，这种方法就像是为光子量身定做的光子交通网络，让它们以最高效的方式在光子的城市中穿梭。
二、玻色采样量子运算：错综复杂的光子交通网络
“玻色采样量子运算”听起来可能有些复杂，但它实际上是一种量子计算模型，旨在展示量子计算机在处理某些特定问题时，相较于经典计算机具有显著的优越性。
具体来说，玻色采样量子运算涉及将多个光子（一种玻色子）送入一个线性光学网络，这些光子在网络中会产生量子干涉。为了测量这些光子在光子网络中的输出概率分布，我们使用单光子探测器来检测输出端口的光子分布情况。
需要注意的是，玻色采样量子运算的输出结果具有高度的随机性，并且随着光子数量的增加，计算输出的概率分布变得极其复杂。这使得经典计算机模拟玻色采样过程变得极其困难，这种难度随着光子数量的增加呈指数级增长。相比之下，量子计算机能够更高效地处理这类任务。
图4 光量子芯片“博雅一号”的光子网络示意图
（图片来源：Nature Photonics）参考文献[1]
为了更直观地理解“可任意编程的玻色采样量子运算”，我们可以将其想象为构建一个微小而复杂的光子交通网络，类似于城市交通系统，但专为光子设计。
在这个光子交通网络中，光源就像是一座特殊的汽运总站，它们发出小汽车一般的光子，而这些光子小汽车还可以彼此之间实现信息的互联互通。这些光源连接着一个错综复杂的光子交通网络，光子小汽车可以在其中自由穿梭。
“可任意编程的玻色采样量子运算”允许我们根据计算需求，任意规划光子小汽车的行驶路径，从而优化这个光子交通网络。这就像是在光子城市中寻找从点A到点B的最佳路线。此外，科学家们还可以测量这个光子交通网络的特定属性，这类似于计算在一个复杂的光子城市网络中有多少种方式可以让每辆光子小汽车找到停车位。
图5 光子在光子城市中穿梭的示意图
（图片来源：VEER图库）
因此，基于图论的光量子计算实验实际上是利用图论来设计和理解这个光子城市。图论就像交通地图一样，帮助我们理解光子城市的交通，同时也帮助科学家设计和预测光子在光子交通网络中的复杂行为。
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）教授，提出了一个将图论和量子光学系统紧密结合的理论架构。在这个架构中，科学家能够使用图论的可视化特性和数学工具来详细描述光量子实验的计算过程，并探索全新的量子现象。
图6 光量子计算网络与图论的对应关系
（图片来源：Nature Photonics）参考文献[1]
为了验证这一理论，北京大学王剑威研究员和龚旗煌教授领衔的科研团队及合作者在光量子芯片中真正地构建了一个光子的城市，而这块光量子芯片大约只有小指甲盖那么大。在这个光子城市中，约有2500个精密的光学元件，并且成功实现了基于图论的光量子计算和信息处理。
此外，科学家们还克服了大规模光量子芯片设计、制造、控制和实验测量的挑战，发展了大规模集成光量子芯片的制作技术和量子调控方法。这些研究成果表明，科学家们在未来能够批量生产这样的光子城市，并根据特定的计算需求来进行定制光子的交通网络。
值得一提的是，科学家们还在光量子芯片中创造了一种特殊的光子状态，称为“高维度的量子纠缠态”。这就像将普通的光子小汽车升级为双层或多层的光子超级巴士，极大地扩展了光子在传输过程中的信息维度。这些光子超级巴士同样也能通过共享彼此之间的量子纠缠态，从而实现信息的互联互通。
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，科学家们取得了显著的成就：他们不仅成功制备了多光子高维度量子纠缠态，还实现了对其的精确控制、测量和验证。这些成果在图论的统一框架下得到了验证，证明了该光量子芯片能够高效执行图论相关的量子信息处理和量子计算任务。
图7 光子量子态的艺术示意图
（图片来源：VEER图库）
这意味着什么呢？
它标志着我们向基于图论的大规模集成光量子计算芯片迈出了重要一步。它不仅展示了在微观尺度上对光子进行精确控制的能力，还证明了进行大规模集成量子光学实验的可行性。这些成就不仅具有深远的科研意义，更为量子技术的商业化和规模化生产奠定了坚实的基础。
参考文献
[1] Bao J, Fu Z, Pramanik T, et al. Very-large-scale integrated quantum graph photonics[J]. Nature Photonics, 2023, 17(7): 573-581.
出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系博士）
监制：中国科普博览