物理学家开发出集成光子技术,为释放量子计算机潜力迈出重要一步

布里斯托尔大学的一个物理学家团队开发出了第一个集成光子源,具有提供大规模量子光子学的潜力。

物理学家开发出集成光子技术,为释放量子计算机潜力迈出重要一步
本研究中使用的硅光子芯片,用于产生和干扰高质量的光子

量子技术的发展有望对整个科学、工程和社会产生深远影响。大规模的量子计算机将能够解决即使是目前最强大的超级计算机也难以解决的问题,并产生许多革命性的应用,例如,在新药和新材料的设计中,量子光子技术将有许多革命性的应用。

集成量子光子学由于其在微型化的复杂光电路中产生和控制光子的能力,是发展量子技术的一个很有前景的平台。利用成熟的CMOS硅产业制造集成器件的优势,可以在单个毫米级芯片上集成相当于数千条光纤和元件的电路。

利用集成光子技术来开发可扩展量子技术的需求很高。布里斯托尔大学是该领域的先驱者新研究表明了这一点。

限制集成量子光子学规模的一个重要挑战是缺乏能够产生高质量单光子的片上光源。在没有低噪声光子源的情况下,量子计算中的误差随着电路复杂度的增加而迅速累积,导致计算不再可靠。此外,光子源中的光学损耗也限制了量子计算机能够产生和处理的光子数量。

在这项工作中,该研究团队找到了解决这个问题的方法,并在此过程中开发出了第一个与大规模量子光子学兼容的集成光子源。为了实现高质量的光子,研究团队开发了一种新颖的技术–“模态间自发四波混频”(inter-modal autonomic four wave mixing),在这种技术中,通过硅波导传播的多模光受到非线性干扰,为产生单光子创造了理想的条件。

布里斯托尔量子工程技术实验室(QETLabs)的Anthony Laing教授团队与意大利特伦托大学(University of Trento)的同事们一道,在一项备受瞩目的Hong-Ou-Mandel实验(光学量子信息处理的一个组成部分)中,对光子量子计算使用此类源进行了基准测试,获得了有史以来最高质量的片上光子量子干涉(96%可见度)。该器件表现出了迄今为止所有集成光子源中最好的性能。

重要的是,该硅光子器件是通过CMOS兼容工艺在商业化的晶圆代工厂中制造出来的,这意味着可以在单个器件上轻松集成数千种光子源。这项研究由工程和物理科学研究理事会(EPSRC)量子计算和仿真中心和欧洲研究理事会(ERC)资助,代表着在规模化构建量子电路方面迈出了重要的一步,并为多项应用铺平了道路。

该研究解决了之前限制光子量子信息处理规模化的一组关键噪声问题。例如,由数百个这样的光源组成的阵列可以用来构建近程噪声的中间量子(NISQ)光子机,在这里可以处理几十个光子来解决专门的任务,例如模拟分子动力学或某些与图论相关的优化问题。

现在,研究人员已经想出了如何构建近乎完美的光子源技术,未来几个月内,硅平台的可扩展性将使他们能够在单个芯片上集成数十到数百个光子。以这样的规模开发电路,将使NISQ光子量子机有可能解决工业上的相关问题,而这是目前超级计算机无法解决的。

此外,随着光子源的先进优化和小型化,该研究团队的技术可以在集成的光子学平台中实现容错量子操作,从而释放出量子计算机的全部潜力!

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