“我刚到英国读博时，就决定将来回国，在全球量子技术发展中，中国已经占有一席之地，从十四五规划来看，中国量子技术也迎来了最好的时候。”说到四年前决定回国，34 岁的军事科学院国防科技创新研究院研究员强晓刚告诉 DeepTech。

2021 年 2 月 26 日，强晓刚以一作及通信身份发表 Science 子刊的论文，打破了光量子计算机无法编程的质疑，展示了光量子计算的实用化潜力。在该研究中，他和国防科大、中山大学等合作团队研发出一款可编程硅基光量子计算芯片。

图 | 可编程量子行走光量子芯片概念图（来源：受访者）

据悉，该芯片有望快速实现量子计算技术在数据库搜索、图同构问题等场景中的落地应用。这也是从英国布里斯托大学学成回国后，强晓刚的第二项标志性研究。

图 | 所使用的多粒子模拟方案的示意图、光子装置和实验设置（来源：受访者）

使用该芯片，强晓刚在 292 个不同图形上均已实现 100 个量子行走的时间步骤模拟，为验证芯片的可编程性他和团队做了三万多次实验。和常见芯片相似的是，制备方式也采用 CMOS 兼容硅光子学的方式，未来有望实现大规模生产。

相关论文已发表在Science Advances上，论文标题为《在硅光子量子行走处理器上实现图论问题的量子算法求解》（Implementing graph-theoretic quantum algorithms on a silicon photonic quantum walk processor）。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

量子行走：向左向右都可以

现阶段的量子技术，依然受制于量子比特数目少、有效量子操作深度浅等问题。在 “带着镣铐跳舞” 的情况下，如何最大化利用量子资源、并设计出搭载量子算法的、可编程的有实用价值的量子装置，一直是该领域翘首以盼的事情。

而本次强晓刚的成果，正是一款有实用潜力量子装置。要想弄明白这款可编程硅基光量子计算芯片，先要理解量子行走（Quantum Walk），它对应着经典随机行走，比后者拥有更丰富的可能性。

图 | 利用相关粒子进行量子行走的实验模拟（来源：Science Advances）

强晓刚举例称，经典随机行走好比一个醉汉走路，即无规则行走的路径。具体来说，在经典随机行走中，一个粒子围绕着一个离散空间随机行走，每行走一步它的方向和位移，都可用一个随机变量来标注，因为是随机的，所以该粒子是向左还是向右，均有一半的概率。

而在量子行走时，由于粒子会受到量子叠加、量子干涉等性质的影响，因此在单位时间内，粒子存在既往左、又往右的可能性。

在量子世界中，由于粒子遵循量子叠加、量子干涉等量子物理规律，粒子每 “行走一次” 的位移，具备着更多可能性。

这种特性让量子行走的速度，可以远高于经典随机行走，也使得它在加速模式识别、计算机视觉、网络分析和导航等方面具有巨大潜力。

例如，量子行走可用于判断两个图形是否具有相同的结构、以及分析图形之间的相似性。

之前有研究人员使用集成波导阵列，实现多光子的量子行走；还有研究实现了量子行走的仿真模拟。但很多研究中的量子行走实验，受限于器件本身的光子线路结构，往往需要光子线路结构允许动态修改，才能观测到不同参数量子行走的变化。

图 | 基于量子行走的搜索的实验演示（来源：Science Advances）

完全可编程的硅光子器件：可实现量子行走全要素操控

而强晓刚的可编程硅基光量子芯片，除了可以模拟关联粒子的量子行走动力学，还能全面调控哈密顿量、演化时间、粒子全同性、粒子交换对称性等所有量子行走的重要参数。因此，基于该芯片的量子行走专用计算机有望在短期内诞生。

据悉，该芯片的尺寸为 11×3 平方毫米，芯片上包含纠缠光子源、可配置光学网络等部分，使用电学调控片上元件，即可对光量子态进行操控，这样便可实现量子信息的编码、以及量子算法的映射。概括来说，该芯片具有高集成度、高稳定性、高精确度等优势。

在功能演示上，强晓刚对该芯片进行编程运行，展示了顶点搜索、图同构等图论问题的量子算法求解。