江苏
近日，合肥硅臻芯片技术有限公司（下称“硅臻芯片”）携手中国科学技术大学量子信息重点实验室任希锋教授研究组，在通用光量子计算核心技术领域取得关键性、开创性突破。团队依托自研可编程硅光集成芯片，创新突破传统量子比特制备瓶颈，首次在片上成功实现4光子16量子比特GHZ态、单光子4量子比特簇态的稳定生成，为通用光量子计算工程化落地、高性能量子算力搭建开辟了全新技术路径。该前沿研究成果已整理预发表于arXiv，论文题目为《On-chip generation of multi-qubit graph states with high-dimensional encoded single photons》。
在光量子计算中，多光子纠缠态是实现量子算法的核心资源，但多光子源发射效率低、制备概率随光子数指数下降，使得多光子纠缠成为稀缺资源。为此，研究团队提出一种基于测量的量子计算(MBQC)技术路线下的纠缠态资源制备方法，基于高维扩展-路由-逐层量子测量”的资源扩展思路，利用单个光子的路径自由度进行高维编码，将复杂的多光子态制备问题转化为对单光子的高维扩展、路由和分层测量操作，配合四层可编程测量模块，实现了多量子比特图态的高效制备与任意单量子比特测量。
实验结果显示，团队不仅成功制备了4光子16量子比特的GHZ态，并通过纠缠目击方法验证了其中10个量子比特的真实纠缠，这是目前在光量子芯片上演示的最大规模纠缠态。此外，团队还利用单光子制备了4量子比特簇态，并在此基础上演示了Grover搜索算法，平均识别概率高达0.987。这一成果证明了高维编码技术在扩展量子比特数量和实现复杂量子算法方面的巨大潜力，显著降低了资源消耗，为实现大规模通用光量子计算奠定了坚实基础。
图1 多量子比特图态制备方法及电路示意图
基于测量的量子计算（MBQC）是一种通过制备大规模纠缠态作为资源，并仅依靠单量子比特测量来驱动计算的通用量子计算模型，相比于当前常用的量子逻辑门线路模型，MBQC将计算难度从“运行时的逻辑门操作”转移到“初始纠缠态的制备”上，从而解决了光子系统中缺乏高效确定性双比特逻辑门的物理难题，使得在不需要确定性光子-光子相互作用的情况下实现通用计算成为可能。由于MBQC的核心计算过程对应一系列的单量子比特测量，对量子态维持(量子比特存储)时间要求较低，对大规模量子比特的复杂控制难度也大大降低。此外，MBQC能够在同样光子资源条件下实现更大的量子比特规模，能够显著降低光路硬件复杂度，其衍生的基于融合的量子计算（FBQC）架构更具备高容错阈值，为构建大规模容错量子计算机提供了可行路径。因此，MBQC不仅是量子计算的一种有效通用计算模型，更是通往大规模、容错、通用量子计算的重要可行技术路径。
图2 四光子多量子比特 GHZ 态实验结果
MBQC技术的发表，标志着硅臻芯片成为国内首家实现片上构建规模化图态的光量子计算企业，让百万量子比特光量子计算机的研发落地具备现实可行性。该成果不仅夯实了硅臻芯片在光量子计算领域的行业领先技术地位，补齐了通用光量子计算工程化落地的关键技术短板，更有效完善了我国光量子计算核心技术体系，打破了规模化多量子比特纠缠制备的技术桎梏，为我国通用量子计算技术自主迭代、量子算力基础设施建设、量子信息技术产业化高质量发展提供了核心技术支撑，助力我国在全球光量子计算前沿赛道持续抢占创新主动权与科技制高点。
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