量子光源完全在芯片上为量子云带来可扩展性
来自汉诺威莱布尼茨大学(德国)、特温特大学(荷兰)和初创公司 QuiX Quantum 的国际研究团队首次展示了一种完全集成在芯片上的纠缠量子光源。“我们的突破使我们能够将源尺寸缩小 1000 多倍，从而实现可重复性、较长时间的稳定性、规模化和潜在的大规模生产。光子学研究所所长兼汉诺威莱布尼茨大学 PhoenixD 卓越集群董事会成员 Michael Kues 教授说，所有这些特性都是量子处理器等现实世界应用所必需的。
量子比特 (qubits) 是量子计算机和量子互联网的基本构建块。量子光源产生可用作量子比特的光量子(光子)。片上光子学已成为处理光量子态的领先平台，因为它紧凑、坚固，并允许在单个芯片上容纳和排列许多元素。在这里，光通过极其紧凑的结构被引导到芯片上，这些结构用于构建光子量子计算系统。这些现在已经可以通过云访问。通过可扩展地实施，它们可以解决传统计算机由于计算能力有限而无法完成的任务。这种优势被称为量子优势。
“到目前为止，量子光源需要外部、芯片外和笨重的激光系统，这限制了它们在该领域的使用。但是，我们通过新颖的芯片设计和利用不同的集成平台克服了这些挑战，”Hatam Mahmudlu 说，博士 库斯团队的学生。他们的新发展是一种电激发、集成激光的光子量子光源，完全安装在芯片上，可以发射频率纠缠的量子比特态。
“量子位非常容易受到噪音的影响。芯片必须由激光场驱动，完全没有噪声，需要一个片上滤波器。以前，将激光器、滤波器和腔体集成在同一芯片上是一项重大挑战，因为没有一种独特的材料可以有效地构建这些不同的组件，”Kues 小组的洪堡研究员 Raktim Haldar 博士说。关键是“混合技术”，它将由磷化铟制成的激光器、过滤器和由氮化硅制成的腔体结合在一起，并将它们整合到一个芯片中。在芯片上，在一个自发的非线性过程中，激光场会产生两个光子。每个光子同时跨越一定范围的颜色，这被称为“叠加”，并且两个光子的颜色是相关的，即光子纠缠在一起并且可以存储量子信息。“
“现在我们可以将激光器与芯片上的其他组件集成在一起，使整个量子源比一欧元硬币还小。我们的微型设备可以被认为是朝着光子芯片上的量子优势迈出的一步。不像谷歌，目前在低温系统中使用超冷量子位，即使在室温下，这种光子系统也可以在芯片上实现量子优势，”Haldar 说。科学家们还希望他们的发现有助于降低应用程序的生产成本。“我们可以想象，我们的量子光源将很快成为可编程光子量子处理器的基本组成部分，”Kues 说。该研究的结果发表在《自然光子学》杂志上。
Michael Kues 教授是德国汉诺威莱布尼兹大学光子学研究所所长，也是 PhoenixD 卓越集群的董事会成员：光子学、光学和工程 - 跨学科创新。PhoenixD 研究集群由大约 120 名从事新型集成光学研究的科学家组成。德国研究基金会(DFG)从 2019 年到 2025 年资助 PhoenixD 约 5200 万欧元。Raktim Haldar 博士是光子学研究所的 Alexander von Humboldt 研究员，Hatam Mahmudlu 是 Kues 团队的博士生。该研究由联邦教育和研究部 (BMBF) 和欧洲研究委员会 (ERC) 资助。
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