集成光子源：向大規(guī)模量子技術(shù)邁出重要一步

  據(jù)英國布里斯托大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出首個(gè)集成光子源，從而有望提供大規(guī)模量子光子技術(shù)。

  時(shí)下，全球各國正在掀起一波研究量子計(jì)算機(jī)的熱潮。大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)將能夠解決現(xiàn)有最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也難以解決的問題。據(jù)稱，量子計(jì)算機(jī)有著比經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決問題快百萬倍的速度。量子技術(shù)的發(fā)展將對(duì)科學(xué)、工程和社會(huì)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并為人工智能、新材料、醫(yī)學(xué)、密碼學(xué)等諸多領(lǐng)域帶來革命性的創(chuàng)新應(yīng)用。

（圖片來源：Tony Melov/UNSW）

  對(duì)于開發(fā)量子技術(shù)而言，集成量子光子學(xué)是一個(gè)很有前景的平臺(tái)，因?yàn)樗茉谛⌒突膹?fù)雜光學(xué)電路中生成和控制光子(單個(gè)光粒子)。利用成熟的 CMOS硅工業(yè)來制造集成器件，可以在一個(gè)毫米級(jí)的芯片上集成相當(dāng)于數(shù)千條光纖和元件的電路。

  加拿大魁北克大學(xué)國立科學(xué)研究院展示了芯片上的頻率梳可同時(shí)產(chǎn)生多光子糾纏的量子狀態(tài)(圖片來源：INRS魁北克大學(xué)國立科學(xué)研究院)

  采用集成光子學(xué)開發(fā)可擴(kuò)展的量子技術(shù)的需求非常旺盛。英國布里斯托大學(xué)是這一領(lǐng)域的先驅(qū)，發(fā)表在《自然通信(Nature Communications)》期刊上的新研究證明了這一點(diǎn)。

這項(xiàng)研究中用于生成和干涉高質(zhì)量光子的硅光子芯片。（圖片來源：布里斯托大學(xué)）

  論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Stefano Paesani 博士解釋道：“限制集成量子光子技術(shù)規(guī)?；囊粋€(gè)重要挑戰(zhàn)就是，缺少能夠生成高質(zhì)量單光子的片上光源。如果沒有低噪聲光子源，當(dāng)電路復(fù)雜度增加時(shí)，量子計(jì)算中的錯(cuò)誤會(huì)迅速累積，導(dǎo)致計(jì)算不再可靠。此外，光源中的光學(xué)損耗限制了量子計(jì)算機(jī)可以生成和處理的光子數(shù)量?！?

  “在這項(xiàng)工作中，我們找到了解決這個(gè)問題的一個(gè)方法，通過這個(gè)方法開發(fā)出了首個(gè)與大規(guī)模量子光子學(xué)兼容的集成光子源。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光子，我們開發(fā)出一項(xiàng)稱為‘模態(tài)間自發(fā)四波混頻(inter-modal spontaneous four-wave mixing)’的新技術(shù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，通過硅波導(dǎo)傳播的多模式光線的非線性干涉，為生成單光子創(chuàng)造了理想條件?！?

多模光源的設(shè)計(jì)與性能(圖片來源：參考資料【1】

  布里斯托大學(xué)的量子工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(QETLabs) Anthony Laing 教授課題組的團(tuán)隊(duì)與意大利特倫托大學(xué)的同事們?cè)凇癏eralded Hong-Ou-Mandel”實(shí)驗(yàn)(該實(shí)驗(yàn)是光學(xué)量子信息處理中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn))中，對(duì)這個(gè)光源在光子量子計(jì)算方面的應(yīng)用進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，并獲得了迄今為止觀察到的最高質(zhì)量的片上光子量子干涉(96%可見度)。

Heralded Hong-Ou-Mandel 干涉（圖片來源：參考資料【1】）

  Paesani 表示：“這個(gè)器件展現(xiàn)了目前對(duì)于任何光子源來說最佳的性能：光譜純度和不可分辨性達(dá)到了99%，光子預(yù)告效率大于90%?！?

多模和不可分辨性特征（圖片來源：參考資料【1】)

  重要的是，該硅光子器件是通過CMOS兼容工藝在商業(yè)化的工廠中制造出來的，這意味著數(shù)千個(gè)光源可以輕易集成到單個(gè)器件上。這項(xiàng)研究由工程和物理科學(xué)研究理事會(huì)(EPSRC)量子計(jì)算和仿真中心以及歐洲研究委員會(huì)(ERC)資助，代表著朝著規(guī)模化構(gòu)建量子電路的目標(biāo)邁出了重要的一步，并為多項(xiàng)應(yīng)用鋪平了道路。

  Paesani 博士表示：“我們解決了之前限制光子量子信息處理規(guī)?；囊唤M關(guān)鍵的噪聲問題。例如，數(shù)百個(gè)這樣的光源組成的陣列，可用于構(gòu)建近程嘈雜性中型量子(NISQ)光子機(jī)，在這里可以處理幾十個(gè)光子來執(zhí)行專門任務(wù)，例如模擬分子動(dòng)力學(xué)或者某些與圖論相關(guān)的優(yōu)化問題?！?

  目前，研究人員們已經(jīng)思考出如何構(gòu)建近乎完美的光子源，未來幾個(gè)月內(nèi)，這個(gè)硅平臺(tái)的可擴(kuò)展性將使他們?cè)趩晤w芯片上集成數(shù)十到數(shù)百個(gè)光子源。以這樣的規(guī)模開發(fā)電路，將使NISQ量子光子機(jī)有望解決工業(yè)相關(guān)的問題，而目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)卻無法解決這些問題。

  Paesani 博士表示：“此外，隨著光子源的優(yōu)化與小型化，我們的技術(shù)可能會(huì)通向集成光子平臺(tái)的容錯(cuò)量子操作，充分釋放量子計(jì)算機(jī)的潛力!”

  參考資料

  【1】S. Paesani, M. Borghi, S. Signorini, A. Ma?nos, L. Pavesi, A. Laing. Near-ideal spontaneous photon sources in silicon quantum photonics. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16187-8

  【2】https://www.bristol.ac.uk/news/2020/may/quantum-leap.html