集成光子源：向大規模量子技術(shù)邁出重要一步

  據英國布里斯托大學(xué)官網(wǎng)近日報道，該校物理學(xué)家團隊開(kāi)發(fā)出首個(gè)集成光子源，從而有望提供大規模量子光子技術(shù)。

  時(shí)下，全球各國正在掀起一波研究量子計算機的熱潮。大規模的量子計算機將能夠解決現有最強大的超級計算機也難以解決的問(wèn)題。據稱(chēng)，量子計算機有著(zhù)比經(jīng)典計算機解決問(wèn)題快百萬(wàn)倍的速度。量子技術(shù)的發(fā)展將對科學(xué)、工程和社會(huì )等產(chǎn)生深遠影響，并為人工智能、新材料、醫學(xué)、密碼學(xué)等諸多領(lǐng)域帶來(lái)革命性的創(chuàng )新應用。

（圖片來(lái)源：Tony Melov/UNSW）

  對于開(kāi)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，因為它能在小型化的復雜光學(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(lái)制造集成器件，可以在一個(gè)毫米級的芯片上集成相當于數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(lái)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(kāi)發(fā)可擴展的量子技術(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?zhuān)l(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(lái)源：布里斯托大學(xué)）

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

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

多模光源的設計與性能(圖片來(lái)源：參考資料【1】

  布里斯托大學(xué)的量子工程技術(shù)實(shí)驗室(QETLabs) Anthony Laing 教授課題組的團隊與意大利特倫托大學(xué)的同事們在“Heralded Hong-Ou-Mandel”實(shí)驗(該實(shí)驗是光學(xué)量子信息處理中的一個(gè)重要實(shí)驗)中，對這個(gè)光源在光子量子計算方面的應用進(jìn)行了基準測試，并獲得了迄今為止觀(guān)察到的最高質(zhì)量的片上光子量子干涉(96%可見(jiàn)度)。

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

  Paesani 表示：“這個(gè)器件展現了目前對于任何光子源來(lái)說(shuō)最佳的性能：光譜純度和不可分辨性達到了99%，光子預告效率大于90%?！?

多模和不可分辨性特征（圖片來(lái)源：參考資料【1】)

  重要的是，該硅光子器件是通過(guò)CMOS兼容工藝在商業(yè)化的工廠(chǎng)中制造出來(lái)的，這意味著(zhù)數千個(gè)光源可以輕易集成到單個(gè)器件上。這項研究由工程和物理科學(xué)研究理事會(huì )(EPSRC)量子計算和仿真中心以及歐洲研究委員會(huì )(ERC)資助，代表著(zhù)朝著(zhù)規?；瘶嫿孔与娐返哪繕诉~出了重要的一步，并為多項應用鋪平了道路。

  Paesani 博士表示：“我們解決了之前限制光子量子信息處理規?；囊唤M關(guān)鍵的噪聲問(wèn)題。例如，數百個(gè)這樣的光源組成的陣列，可用于構建近程嘈雜性中型量子(NISQ)光子機，在這里可以處理幾十個(gè)光子來(lái)執行專(zhuān)門(mén)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(wèn)題?！?

  目前，研究人員們已經(jīng)思考出如何構建近乎完美的光子源，未來(lái)幾個(gè)月內，這個(gè)硅平臺的可擴展性將使他們在單顆芯片上集成數十到數百個(gè)光子源。以這樣的規模開(kāi)發(fā)電路，將使NISQ量子光子機有望解決工業(yè)相關(guān)的問(wèn)題，而目前的超級計算機卻無(wú)法解決這些問(wèn)題。

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

  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