圖片來源：強曉剛/布里斯托大學

通過允許將數十億個晶體管封裝在單個芯片上，硅為我們擁有今天的計算機做出了舉足輕重的貢獻。而且，將來還會出現基于它的更強大的計算機。

最近，一個由中國、英國和澳大利亞的研究人員組成的合作研究團隊研發出了一種可對單光子進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，它可以創建和操縱使用光子編碼的兩個量子比特，可用于通用的雙量子比特量子計算。” 位于長沙的國防科技大學的助理研究員強曉剛說。他是發表在9月期的《自然·光子學》（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團隊的研究成果。

量子計算建立在量子力學不可思議的規則基礎上，這使得它有可能執行傳統計算機設計永遠無法實現的計算，例如快速破解加密代碼或模擬大爆炸。量子計算機基于量子比特，后者類似于傳統計算中的比特。但與我們熟悉的傳統計算機的1和0不同的是，量子比特可以疊加，同時保持多個狀態，從而擴大了其計算能力。它們也可以糾纏在一起，因此測量一個量子比特可以提供有關另一個量子比特狀態的信息。

IBM和Google等公司都在努力開發具有足夠多相連在一起的量子比特的設備來執行強大的計算。但到目前為止，它們只實現了將幾十個量子比特相連接。最有競爭力的量子比特是超導量子比特，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零度。超導量子比特的問題在于，隨著系統中量子比特數的增加，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（即相干態），并變得無用。

但光子不會有這個問題，強曉剛說。“光子不會與環境相互作用，因此我們不會遭遇相干態時間短的問題。”他說，光子也可以被超高精度操縱。當然，它們是以光速傳播的。最重要的是，光子芯片可以利用計算機行業已經建立的整個基于硅的基礎設施。

這種芯片由很多個干涉儀組成，這些干涉儀將光子分成不同的空間模式。每個模式都穿過一個特定的波導，這樣使一個光子在一個波導中代表a 1，而在另一個波導中它代表a 0。知道一個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路徑。

光子使用由電壓控制的熱光移相器進行編碼。強曉剛說：“移相器的不同設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編碼和不同的量子操作成為可能。”

為了將該系統擴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、分束器和其他光學元件來處理所有這些光子，也是一項工程挑戰。但強曉剛表示，硅光子學已經顯示出了將許多元件塞進狹小空間并使它們全部以高精度工作的能力，“因此，它實際上是實現最終的大規模光量子處理器的可行方法。”