量子技術再突破：實現硅晶元和光量子結合！

布里斯托爾大學和丹麥技術大學科學家們發現了一種很有前途的新方法，可以將光和硅微晶元結合起來，製造下一代量子模擬器。在發展量子機器的路線圖中，能夠在解決特定問題方面與經典超級計算機競爭並戰勝它們，科學界正面臨兩大技術挑戰。第一個是建立大規模處理信息的大型量子電路的能力，第二個是創造大量單個量子粒子的能力，這些粒子可以通過這樣的電路編碼和傳播量子信息。

為了發展一種能夠克服經典機器的先進量子技術，這兩個要求都需要得到滿足。硅量子光子學是一個很有前途的平台來應對這些挑戰。在這項技術中，光的單粒子光子攜帶信息在硅微晶元中產生和處理。這些器件利用集成波導(類似於光纖在納米尺度上的結構)來引導和操縱納米尺度上的光。至關重要的是，光子晶元的製造需要半導體工業中用於製造電子微晶元的相同技術，這使得大規模製造量子電路成為可能。

在布里斯托爾大學量子工程技術(QET)實驗室，研究小組展示了嵌入由近1000個光學元件組成的量子干涉硅光子晶元，這比僅僅幾年前可能實現的要高几個數量級。然而，一個懸而未決的大問題是，這些設備是否也能產生足夠強的光子，來執行有用的量子計算任務。這項研究2019年7月2日發表在《自然物理》上，表明這個問題有一個積極的答案。通過探索硅量子光子學的最新技術發展，該團隊已經證明，即使是小規模的硅光子電路也可以產生和處理大量光子。

這在集成光子學中是前所未有的，事實上，由於光子損耗等電路缺陷，以往的集成光子學演示大多局限於僅在晶元上產生兩個光子並進行處理的實驗，僅在去年，就有報道稱使用複雜電路進行了四光子實驗。在這項研究中，通過改進每個集成組件的設計，該團隊表明，即使是簡單電路也可以產生最多8個光子的實驗，是之前集成光子學記錄的兩倍。此外，分析表明，通過放大電路複雜度(這是硅平台的一個強大功能)，可以進行超過20個光子的實驗。

預計光子量子機器將超過最好的經典超級計算機，該研究還研究了這種近期光子量子處理器進入量子優勢領域的可能應用。特別是，通過重新配置晶元中的光學非線性類型，證明了硅晶元可以用來執行各種量子模擬任務，稱為玻色子採樣問題。對於其中一些協議（例如高斯玻色子採樣）這個新的演示是世界上第一次。該團隊還證明，使用這種協議，硅量子器件將能夠解決工業相關問題。特別地，展示了如何用高斯玻色子採樣在這種類型設備上模擬化學問題，即在分子進行電子變換時發現分子的振動躍遷。

布里斯托爾大學納米科學和量子信息中心的首席作者Stefano Paesani博士說：發現表明，超越經典超級計算機的光子量子模擬器，是硅量子光子學平台近期的現實前景。這種量子機器的發展可能對化學、分子設計、人工智慧和大數據分析等工業相關領域產生突破性影響，應用包括設計更好的藥物和能夠更有效地產生能量分子狀態工程。合著者Raffaele Santagati博士說：這些結果讓我們相信，量子機器里程碑式的速度比任何現有經典計算機都要快，在集成量子光子學平台的範圍之內。

雖然其他技術也有能力達到這種狀態，例如捕獲離子或超導系統，但光子學方法具有獨特的優勢，具有研究的近期應用。光子之路雖然危險，但已經確定，非常值得探索。布里斯托爾大學物理學副教授安東尼·萊恩教授說：通過將在同一晶元中產生和處理的光子數量增加兩倍，該團隊已經為將量子模擬器擴大到幾十個光子打下了基礎，與當今標準計算硬體的性能比較將變得很有意義。

博科園｜研究/來自：布里斯託大學

參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0567-8

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