集成光子源：向大規(guī)模量子技術邁出重要一步

  據英國布里斯托大學官網近日報道，該校物理學家團隊開發(fā)出首個集成光子源，從而有望提供大規(guī)模量子光子技術。

  時下，全球各國正在掀起一波研究量子計算機的熱潮。大規(guī)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題。據稱，量子計算機有著比經典計算機解決問題快百萬倍的速度。量子技術的發(fā)展將對科學、工程和社會等產生深遠影響，并為人工智能、新材料、醫(yī)學、密碼學等諸多領域帶來革命性的創(chuàng)新應用。

（圖片來源：Tony Melov/UNSW）

  對于開發(fā)量子技術而言，集成量子光子學是一個很有前景的平臺，因為它能在小型化的復雜光學電路中生成和控制光子(單個光粒子)。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。

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

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

這項研究中用于生成和干涉高質量光子的硅光子芯片。（圖片來源：布里斯托大學）

  論文領導作者 Stefano Paesani 博士解釋道：“限制集成量子光子技術規(guī)模化的一個重要挑戰(zhàn)就是，缺少能夠生成高質量單光子的片上光源。如果沒有低噪聲光子源，當電路復雜度增加時，量子計算中的錯誤會迅速累積，導致計算不再可靠。此外，光源中的光學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問題的一個方法，通過這個方法開發(fā)出了首個與大規(guī)模量子光子學兼容的集成光子源。為了實現高質量的光子，我們開發(fā)出一項稱為‘模態(tài)間自發(fā)四波混頻(inter-modal spontaneous four-wave mixing)’的新技術。在這項技術中，通過硅波導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。”

多模光源的設計與性能(圖片來源：參考資料【1】

  布里斯托大學的量子工程技術實驗室(QETLabs) Anthony Laing 教授課題組的團隊與意大利特倫托大學的同事們在“Heralded Hong-Ou-Mandel”實驗(該實驗是光學量子信息處理中的一個重要實驗)中，對這個光源在光子量子計算方面的應用進行了基準測試，并獲得了迄今為止觀察到的最高質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：“這個器件展現了目前對于任何光子源來說最佳的性能：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，這意味著數千個光源可以輕易集成到單個器件上。這項研究由工程和物理科學研究理事會(EPSRC)量子計算和仿真中心以及歐洲研究委員會(ERC)資助，代表著朝著規(guī)模化構建量子電路的目標邁出了重要的一步，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(guī)?；囊唤M關鍵的噪聲問題。例如，數百個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光子來執(zhí)行專門任務，例如模擬分子動力學或者某些與圖論相關的優(yōu)化問題。”

  目前，研究人員們已經思考出如何構建近乎完美的光子源，未來幾個月內，這個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光子源。以這樣的規(guī)模開發(fā)電路，將使NISQ量子光子機有望解決工業(yè)相關的問題，而目前的超級計算機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，我們的技術可能會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