新一代信息技术革命“缺芯”不可重演

金贤敏在展示多波导量子芯片。本报记者沈湫莎摄

几天前，全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”传来喜讯，在轨测试运行状态良好。而在量子通信领域的另一重要分支——量子计算中，沪上也有一家实验室不断取得突破，这就是上海交通大学光子集成与量子信息实验室，它是世界上为数不多的、同时具备了光量子集成芯片设计加工集成能力和多光子纠缠制备能力的实验室，实验室领头人、上海交大物理与天文系特别研究员金贤敏今年才36岁，由于在量子领域的突出贡献，去年他被达沃斯世界经济论坛授予青年科学家奖。

“我国电子信息产业一直饱受没有自主芯片技术之苦，因此，新一代信息技术革命中‘缺芯’问题绝不可在中国再次重演。虽然量子信息技术的真正实用化仍然在路上，但是芯片化集成这一战略方向，一定要给予足够重视。”金贤敏说。

借助光子集成芯片，一次制备有望抓取14光子

在金贤敏的实验室中，有几个1.25米宽、3米长的工作台，上面插满了黑色的镜片，学生往往需要趴在工作台上连续工作好几个小时，经过反复激发、调试，才能捕捉到一对纠缠态的光子。

目前最高的制备能力，是由我国潘建伟院士团队保持的10光子纪录，老外把这一制备能力称为“史诗般的、英雄主义般的”，因为想要多捕捉一对光子，成功率就下降100倍，因此10光子几乎已经到达人类手工制备能力的极限，再增加一对光子也几近是不可能完成的任务。

经历了早期的理论与原理实验验证，量子信息技术正在由实验室演示迈向器件制备和芯片化的新阶段。

“宏观光学器件的损耗、操控精度和稳定性等看似技术性的难题，实际上已经成为无法突破的原理性瓶颈。我们利用集成光子学，可以把包括多光子纠缠在内的大规模复杂光子线路制备在几个厘米大小的光子集成芯片上，在操控量子系统的尺度和复杂度上达到全新的水平。”金贤敏说。

据透露，借助光子集成芯片，一次制备有望抓取14光子。

1平方毫米芯片内刻下5000个光波导

2014年，金贤敏离开光量子集成芯片研究方面国际顶尖的牛津大学伊恩·沃姆斯利研究团队，放弃牛津大学物理系讲师的职位，回到上海交大创建自己的实验室。他仅用两年时间就完成了光量子芯片制备的平台搭建和技术参数摸索工作，并在芯片的光损耗和三维集成等关键技术能力上实现了超越。

“回国到底要做什么研究？　这个问题我考虑了很久。从新一代飞秒激光直写光量子集成芯片装置的设计和搭建，到未来科学技术目标，既要极有前景又不能跟风。”金贤敏说。以光量子计算为例，不同于提高多光子个数的传统方法，金贤敏希望能另辟蹊径，从量子演化系统的物理尺度本身着手，通过构建大规模、高复杂度和三维集成的光量子集成芯片，来提高量子计算的能力。

现在能够实现的量子计算系统看上去仍然像个“玩具”，几平方米的光学平台上摆满宏观光学元器件，也只相当于几个量子单元，无法实现大规模量子计算。

“虽然硅基光子学芯片技术比较成熟，但是耦合损耗和传输损耗都很大，耦合稳定性也比较差。我们知道量子信息是通过单光子编码的，损耗意味着信息丢失，这是关键差别。”金贤敏说。为此，他使用了更加适合量子传输的飞秒直写技术来刻写芯片，从而在损耗、精度、三维能力和可调控等量子信息方面有了质的突破，如今一块1平方毫米的芯片上，能刻下5000个光波导。

室温下运行的宽带量子存储技术

无论对于量子计算还是量子通信，存储都是至关重要的一环，它要解决的是让以30万公里每秒飞行的光子可控地停下来。目前，可做到单光子级别的光存储器大多要在超低温等特殊环境下运行，且系统复杂、庞大且昂贵，无法满足实用化要求。包括哈佛大学和牛津大学在内的很多国际小组都在追寻可在室温下运行的宽带存储技术。科学家们虽然尝试了不同的方法，仍然无法取得突破。很多科学家甚至放狠话说：“室温存储就是条死路。”然而这个卡脖子问题不解决，量子通信和量子计算走进千家万户仍是空中楼阁。据金贤敏透露，他已经做出了可在室温下运行的宽带光存储技术，不过他并没有透露更多细节。

我们距离量子计算还有多远？从目前来看，困难还不少。最近，市科委一次性支持的400万元到位令金贤敏分外高兴。“其实当时回国选择自主做光量子集成芯片制备而不是委托国外加工，是做了很长时间思想斗争的，初期相对巨大的经费和时间投入，对年轻团队来说压力很大。但就像上海交大杰出校友叶军给我的建议‘要做有前景有意义的事情，想想这件事情5年以后你是否还会在做，还值得做’。”在新一代信息技术革命中，有一批金贤敏般的科学家正在努力。