出品：科普中國(guó)

作者：欒春陽(yáng)（清華大學(xué)物理系博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

想象一下，未來(lái)某一天，我們不再依賴那些辛勤工作的電子，而是召喚出光子——光的魔法精靈，來(lái)構(gòu)建光量子芯片，那將是多么神奇的景象！

光量子芯片與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的電子芯片不同，它使用光子作為信息的傳遞者。光子不僅是光的最小單位，在量子世界里，它們還有一個(gè)酷炫的名字——光量子。

圖1 光量子芯片的藝術(shù)示意圖

（圖片來(lái)源：VEER圖庫(kù)）

這些光量子芯片擁有超快的傳輸速度、幾乎不消耗能量的低能耗，以及能夠處理海量數(shù)據(jù)的大帶寬。這些特點(diǎn)預(yù)示著光量子芯片有潛力打破電子芯片的極限，滿足未來(lái)對(duì)計(jì)算能力爆炸性增長(zhǎng)的需求。

一、傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)——馮·諾依曼計(jì)算范式

提到電腦和手機(jī)，大家肯定再熟悉不過(guò)了，它們都是我們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮佑?jì)算機(jī)。

但你可能不知道的是，目前市場(chǎng)上幾乎所有的電子計(jì)算機(jī)都采用了一種叫做“馮·諾依曼計(jì)算范式”的體系架構(gòu)。

圖2 “馮·諾依曼計(jì)算范式”的示意圖

（圖片來(lái)源：wikipedia）

https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture#/media/File:Von_Neumann_Architecture.svg

這個(gè)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)拗口的術(shù)語(yǔ)，其實(shí)是由20世紀(jì)40年代的匈牙利數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）提出的。現(xiàn)在，幾乎所有的電子計(jì)算機(jī)都遵循這種體系架構(gòu)，它有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一個(gè)是“存算分開(kāi)”，另一個(gè)是“順序執(zhí)行”。

讓我們用一些簡(jiǎn)單的關(guān)鍵詞來(lái)揭開(kāi)傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的神秘面紗：

首先，是大家相對(duì)熟悉的中央處理單元（CPU）和存儲(chǔ)器。

CPU是計(jì)算機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算和邏輯操作；而存儲(chǔ)器則像是計(jì)算機(jī)的書(shū)架，用來(lái)存放大量的數(shù)據(jù)和指令，方便隨時(shí)取用。這種CPU和存儲(chǔ)器分離的設(shè)計(jì)，就是我們所說(shuō)的“存算分開(kāi)”。

雖然這種設(shè)計(jì)讓編程變得簡(jiǎn)單，但它也有缺點(diǎn)。數(shù)據(jù)和指令需要在CPU和存儲(chǔ)器間來(lái)回穿梭，這不僅拖慢了速度，還增加了能耗和延遲。就像在繁忙的街道上，如果車(chē)輛頻繁往返于兩個(gè)地點(diǎn)，交通就會(huì)變得擁堵。

接下來(lái)，是對(duì)大家來(lái)說(shuō)，可能有些陌生的“串行運(yùn)算”和“數(shù)據(jù)潮汐”。

“串行運(yùn)算”就像排隊(duì)到收銀臺(tái)來(lái)結(jié)賬，每個(gè)人都得等到前一個(gè)人完成后才能輪到自己。在電子計(jì)算機(jī)中，每條指令也得等前一條執(zhí)行完畢才能開(kāi)始。而“數(shù)據(jù)潮汐”則像是計(jì)算機(jī)版的潮漲潮落。有時(shí)候，數(shù)據(jù)和指令像潮水一樣洶涌而來(lái)，CPU忙得不可開(kāi)交；有時(shí)候，CPU卻閑得發(fā)慌，等著新的數(shù)據(jù)和指令到來(lái)。不管怎樣，CPU一次只能處理一條指令，面對(duì)海量數(shù)據(jù)和指令的沖擊，它也會(huì)感到力不從心。

這種“順序執(zhí)行”的方式，對(duì)于并行處理大量任務(wù)來(lái)說(shuō)，就像是單行道上的交通堵塞，難以應(yīng)付。這就是為什么科學(xué)家們正在探索新的計(jì)算模式，比如前面提到的光量子芯片，它們可能會(huì)帶來(lái)革命性的改變。

二、光量子計(jì)算——面向未來(lái)的計(jì)算范式

幸運(yùn)的是，光量子計(jì)算方案為我們帶來(lái)了新的希望。

它采用光子作為信息的載體，能夠充分利用光的高速、低能耗和大帶寬等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望繞開(kāi)馮·諾依曼計(jì)算范式中“存算分開(kāi)”和“順序執(zhí)行”的難題，從而打破傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)架構(gòu)的性能瓶頸。

圖3 光量子計(jì)算方案的藝術(shù)示意圖

（圖片來(lái)源：VEER圖庫(kù)）

讓我們用兩個(gè)簡(jiǎn)潔的短語(yǔ)來(lái)概括光量子計(jì)算方案的核心特征：那就是“傳輸即計(jì)算”和“結(jié)構(gòu)即功能”。

“傳輸即計(jì)算”意味著，在光量子計(jì)算方案中，光子在傳輸?shù)耐瑫r(shí)就能完成計(jì)算任務(wù)，無(wú)需像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣在不同的硬件單元之間來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)。這是因?yàn)楣庾釉趥鬏斶^(guò)程中始終以光速進(jìn)行信息傳遞，在光量子芯片的厘米尺度上，光信號(hào)的延遲僅為納秒級(jí)別。計(jì)算可以在光子通過(guò)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)或在光子芯片上傳輸時(shí)進(jìn)行，極大地提高了運(yùn)算效率。

“結(jié)構(gòu)即功能”則表明光量子芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了它所實(shí)現(xiàn)的功能。光量子芯片使用光波導(dǎo)替代電子芯片中的銅導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)光子在芯片中的信息傳輸。當(dāng)光子在不同的光波導(dǎo)中傳輸時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生光信號(hào)的干涉，科學(xué)家們可以利用這一物理現(xiàn)象來(lái)模擬線性計(jì)算等計(jì)算過(guò)程，即通過(guò)光子在傳播和相互作用中的信息變化來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。

因此，通過(guò)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的光量子芯片，科學(xué)家們可以實(shí)現(xiàn)各種功能的量子算法任務(wù)，充分發(fā)揮光子的獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)，有效地解決電子芯片所面臨的挑戰(zhàn)。

三、光量子芯片：人工智能的超速引擎

在人工智能的競(jìng)技場(chǎng)中，速度是關(guān)鍵。

想象一下，如果中央處理器（CPU）只能像超市收銀臺(tái)前的隊(duì)伍一樣，一個(gè)接一個(gè)地處理任務(wù)，那效率得多慢！但幸運(yùn)的是，圖像處理器（GPU）就像是擁有超能力的收銀員，能夠同時(shí)處理多個(gè)顧客，大大加快了任務(wù)處理的速度，為人工智能的發(fā)展注入了活力。

圖4 人工智能技術(shù)的藝術(shù)示意圖

（圖片來(lái)源：VEER圖庫(kù)）

說(shuō)到并行運(yùn)算，光量子計(jì)算就像是擁有分身術(shù)的超級(jí)英雄，能夠在瞬間處理無(wú)數(shù)任務(wù)。光子，這些以光速奔跑的粒子，它們的自由度就像是多功能的瑞士軍刀，可以同時(shí)完成多種任務(wù)。無(wú)論是不同的偏振狀態(tài)，還是不同的路徑，甚至是軌道角動(dòng)量，這些特性都能被用來(lái)提升運(yùn)算的并行性。

在光量子芯片的神奇世界里，科學(xué)家們就像魔術(shù)師一樣，能夠?qū)庾舆M(jìn)行各種魔法般的操控。他們使用“波分復(fù)用”技術(shù)，就像指揮交通一樣，讓光子在光波導(dǎo)中井然有序地并行傳輸，利用路徑信息來(lái)實(shí)現(xiàn)光量子態(tài)的編碼。

更令人興奮的是，光量子芯片還能兼容現(xiàn)今主流的半導(dǎo)體制造工藝，這意味著制造成本更低，未來(lái)的光量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)像家用計(jì)算機(jī)一樣普及。這不僅能夠滿足人工智能硬件的性能需求，還可能開(kāi)啟一個(gè)全新的計(jì)算時(shí)代。

四、光量子計(jì)算已不只停留于方案

當(dāng)我們暢想未來(lái)的計(jì)算方案時(shí)，光量子計(jì)算方案無(wú)疑是一位擁有超能力的競(jìng)爭(zhēng)者。它不僅擁有閃電般的速度、幾乎不消耗能量的神奇能力，還有著處理海量信息的超寬帶。

想象一下，如果馮·諾依曼架構(gòu)是一輛老舊的蒸汽火車(chē)，那么光量子計(jì)算方案就像是現(xiàn)代的高速磁懸浮列車(chē)，輕松突破了速度和能耗的極限。

而且，光量子計(jì)算方案的并行運(yùn)算能力，就像是擁有分身術(shù)的超級(jí)英雄，能夠同時(shí)解決多個(gè)問(wèn)題，這對(duì)于人工智能來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是如虎添翼。

圖5 基于光波導(dǎo)的光量子芯片實(shí)物圖

（圖片來(lái)源：Science）參考文獻(xiàn)[4]

Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics | Science

現(xiàn)在，讓我們來(lái)點(diǎn)小劇透：光量子芯片的研究已經(jīng)取得了令人興奮的進(jìn)展！

科學(xué)家們已經(jīng)不僅僅是在實(shí)驗(yàn)室里擺弄小實(shí)驗(yàn)，他們已經(jīng)在用這些神奇的光子芯片創(chuàng)造出一些令人驚嘆的成果。

那么，這些光量子芯片到底能做什么呢？科學(xué)家們是如何利用它們來(lái)探索未知的量子世界的呢？保持你的好奇心，讓我們一起在接下來(lái)的文章中揭開(kāi)光量子芯片的神秘面紗，探索它們?nèi)绾胃淖兾覀兊氖澜绨桑?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] Von Neumann J. Von neumann architecture[J]. Online http://en. wikipedia. org/wiki/Von_Neumann_architecture, 1945, 8.

[2] 王劍威, 丁運(yùn)鴻, 龔旗煌. 大規(guī)模集成光量子芯片實(shí)現(xiàn)高維度量子糾纏[J]. 物理, 2018, 47(5): 317-319.

[3] 包覺(jué)明, 陳曉炯, 丁運(yùn)鴻, 等. 硅基光量子芯片上量子調(diào)控技術(shù)和量子信息應(yīng)用[J]. 科學(xué): 物理學(xué), 力學(xué), 天文學(xué), 2020, 50(8): 47-51.

[4] Wang J, Paesani S, Ding Y, et al. Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics[J]. Science, 2018, 360(6386): 285-291.