光子发现是迈向大规模量子技术的重要一步

时间:2020-06-23 18:43 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

光子发现是迈向大规模量子技术的重要一步

布里斯托尔大学的一组物理学家已经开发出了第一个集成的光子源,它有可能提供大规模的量子光子学。

量子技术的发展有望对科学、工程和社会产生深远的影响。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无法解决的问题,例如,在新药和新材料的设计中有许多革命性的应用。

集成量子光子学具有在小型化的复杂光学电路中产生和控制光子(光的单粒子)的能力,是发展量子技术的一个很有前途的平台。利用成熟的CMOS硅工业制造集成设备,使电路与成千上万的光纤和组件集成在一个毫米级芯片。

集成光子学在可扩展量子技术开发中的应用需求很大。发表在《自然通讯》上的一项新研究表明,布里斯托尔大学是这一领域的先驱。

第一作者Stefano Paesani博士解释道:

“限制集成量子光子学规模的一个重要挑战是,芯片上缺乏能够产生高质量单光子的源。”如果没有低噪声的光子源,量子计算中的误差会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,光源的光损耗限制了量子计算机可以产生和处理的光子数量。

“在这项工作中,我们找到了解决这个问题的方法,在此过程中,我们开发了第一个与大规模量子光子学兼容的集成光子源。”为了获得高质量的光子,我们开发了一种新技术——“模间自发四波混合”——在这种技术中,光在硅波导中传播的多种模式是非线性干扰的,为产生单光子创造了理想的条件。

大学的同事们一起特兰托在意大利,球队在教授安东尼?莱恩集团在布里斯托尔的量子工程技术实验室(QETLabs)基准测试使用这些来源预示Hong-Ou-Mandel光子量子计算的实验中,光量子信息处理的构建块,并获得高质量芯片上的光子量子干涉观察可见性(96%)。

帕萨尼博士说:“到目前为止,该设备的性能是所有集成光子源中最好的:光谱纯度和99%的不可分辨性,以及> 90%的光子预示效率。”

重要的是,该硅光子器件是在一家商业铸造厂通过cmos兼容工艺制造的,这意味着可以很容易地将数千个源集成到一个设备上。这项研究由工程和物理科学研究委员会(EPSRC)的量子计算和模拟中心和欧洲研究委员会(ERC)资助,它代表了大规模构建量子电路的重要一步,并为一些应用铺平了道路。

“我们已经解决了之前限制光子量子信息处理尺度的一组关键噪声。例如,由数百个这样的源组成的阵列可以用来构建短期内有噪声的中等规模量子(NISQ)光子机器,其中数十个光子可以被处理来解决特定的任务,例如分子动力学的模拟或与图论相关的某些优化问题。”

现在,研究人员已经设计出了如何构建近乎完美的光子源,在接下来的几个月里,硅平台的可扩展性将允许他们在一个芯片上集成数十到数百个光子源。开发如此规模的电路将使NISQ光子量子机有可能解决目前超级计算机无法解决的与工业相关的问题。

“此外,随着先进的优化和光子源的小型化,我们的技术可以在集成光子学平台上实现容错量子操作,释放出量子计算机的全部潜力,”派萨尼博士说。

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