量子光源完全在芯片上运行，为量子云带来可扩展性
发布时间：2023-04-18 08:00:00 阅读数： 139
用于产生纠缠光子的芯片集成量子光源的艺术插图。资料来源：Raktim Haldar/Michael Kues
来自汉诺威莱布尼茨大学（德国）、特文特大学（荷兰）和创业公司QuiX Quantum的一个国际研究小组首次提出了一个完全集成在芯片上的纠缠量子光源。这项研究的结果发表在《自然-光子学》杂志上。
"我们的突破使我们能够将光源的尺寸缩小1000倍以上，从而实现可重复性、较长时间的稳定性、扩展性和潜在的大规模生产。汉诺威莱布尼兹大学光子学研究所所长、汉诺威莱布尼兹大学PhoenixD卓越集群董事会成员迈克尔-库斯教授说："所有这些特性都是现实世界的应用所需要的，比如量子处理器。
量子比特（qubits）是量子计算机和量子互联网的基本构成部分。量子光源产生的光量子（光子）可以作为量子比特使用。片上光子学已经成为处理光量子态的领先平台，因为它结构紧凑、坚固，可以在一个芯片上容纳和安排许多元素。在这里，光在芯片上通过极其紧凑的结构被引导，这些结构被用来建立光子量子计算系统。今天，这些已经可以通过云计算获得。可扩展地实施，它们可以解决传统计算机因计算能力有限而无法完成的任务。这种优越性被称为量子优势。
整个量子光源适合放在比一欧元硬币还小的芯片上。研究人员通过使用一种新颖的 "混合技术"，将磷化铟制成的激光器和氮化硅制成的过滤器结合在一个芯片上，将光源的尺寸缩小了1000多倍。这种新光源高效而稳定，可以找到驱动量子计算机或量子互联网的应用。资料来源：光子学研究所/LUH
"到目前为止，量子光源需要外部、片外和笨重的激光系统，这限制了它们在该领域的应用。然而，我们通过新颖的芯片设计和利用不同的集成平台来克服这些挑战，"库斯团队的博士生哈塔姆-马赫穆德鲁说。他们的新开发成果是一个电激发的、激光集成的光子量子光源，完全适合在一个芯片上，可以发射频率纠缠的量子比特状态。
"量子比特非常容易受到噪音的影响。芯片必须由激光场驱动，完全没有噪音，需要一个片上滤波器。Kues小组的洪堡研究员Raktim Haldar博士说："以前，在同一个芯片上集成激光器、过滤器和一个腔体是一个重大挑战，因为没有独特的材料可以有效地构建这些不同的组件。
关键是 "混合技术"，它将磷化铟制成的激光器、过滤器和氮化硅制成的腔体结合起来，并将它们汇集到一个芯片中。在芯片上，在一个自发的非线性过程中，两个光子从一个激光场中产生。每个光子同时跨越一个颜色范围，这被称为 "叠加"，两个光子的颜色是相关的，也就是说，光子是纠缠的，可以存储量子信息。"我们实现了应用于量子计算机或量子互联网所需的显著效率和状态质量，"Kues说。
他们开发了新的集成量子光源（左起）： 汉诺威莱布尼兹大学光子学研究所所长、凤凰网卓越集群董事会成员迈克尔-库斯教授与博士生哈塔姆-马赫穆德鲁和洪堡大学研究员拉克提姆-哈尔达博士。资料来源：Sonja Smalian/PhoenixD
"现在我们可以将激光器与其他部件集成在一个芯片上，这样整个量子源就比一个一欧元的硬币还要小。我们的微小设备可以被认为是在芯片上用光子实现量子优势的一步。哈尔达说："与目前在低温系统中使用超冷量子比特的谷歌公司不同，即使在室温下，也可以用芯片上的这种光子系统实现量子优势。
科学家们还期望他们的发现能够帮助降低应用的生产成本。"库斯说："我们可以想象，我们的量子光源将很快成为可编程光子量子处理器的一个基本组成部分。
迈克尔-库斯教授是德国汉诺威莱布尼茨大学光子学研究所的负责人，也是卓越集群PhoenixD：光子学、光学和工程学-跨学科创新的董事会成员。
参考资料
Raktim Haldar, Fully on-chip photonic turnkey quantum source for entangled qubit/qudit state generation, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01193-1. www.nature.com/articles/s41566-023-01193-1
