光子芯片的突破为现实世界的量子计算开辟了一条道路

量子计算平台加速了从散装光学到小于一分钱的硅芯片上集成光子的转换

的量子计算预计到2030年，该市场将达到650亿美元，这是投资者和科学家的热门话题，因为它有可能解决难以理解的复杂问题。

药物发现就是一个例子。为了理解药物的相互作用，制药公司可能想要模拟两个分子的相互作用。挑战在于，每个分子都是由几百个原子组成的，科学家必须模拟这些原子在各自的分子被引入时的排列方式。可能的构型数量是无限的——比整个宇宙的原子数量还多。只有量子计算机才能代表(更不用说解决)如此庞大的动态数据问题。

量子计算的主流应用还需要几十年的时间，全球各地的大学和私营企业的研究团队都在研究该技术的不同方面。

徐领导的研究小组,电气和计算机工程助理教授弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的雕刻一个利基在光子的物理和应用设备,为范围广泛的检测和形状光使用包括通信和计算。他的研究小组在一个一便士大小的光子芯片上创建了一个可扩展的量子计算平台，大大减少了实现量子速度所需的设备数量。

UVA量子光学和量子信息学教授奥利维尔•菲斯特和韩国科学技术院(kaist)助理教授韩硕(音)也做出了贡献。

自然通讯最近发表了球队的实验结果，“芯片上的挤压量子微块”。两位彝族的团队成员，紫园阳，博士。学生在物理学中，曼达纳·贾瓦布兹省，一个博士学位。电气和计算机工程学生，是纸张的首先作者。来自国家科学基金会的Quantum Compance计划的工程量子综合平台的授予支持这项研究。

量子计算预示着一种全新的信息处理方式。您的台式机或膝上型计算机以长串位元的形式处理信息。一个位只能保存两个值中的一个:0或1。量子计算机并行处理信息，这意味着它们不需要等待一个信息序列被处理后才能计算更多信息。它们的信息单位叫做量子位，一种可以同时是1和0的混合体。一个量子模式，或qumode，跨越了从1到0(小数点右边的值)之间的变量的全部光谱。

研究人员正在研究不同的方法，以有效地产生达到量子速度所需的巨大Qumodes。

易建联基于光子学的方法很有吸引力，因为光场也是全光谱的;光谱中的每一个光波都有可能成为一个量子单位。易纲假设，通过纠缠光场，光将达到量子态。

您可能熟悉通过互联网提供信息的光纤。在每个光纤内，许多不同颜色的激光器并联使用，一种称为多路复用的现象。yi将复用概念带入量子领域。

微是他的团队成功的关键UVA是使用光多路复用技术创建可扩展量子计算平台的先驱和领导者。2014年，Pfister的团队成功地在一个体光学系统中产生了3000多个量子模式。然而，使用这么多量子模式需要占用大量空间，以容纳数千个镜子、透镜和其他组件，这些组件需要运行算法和执行其他操作。

“该领域的未来是集成量子光学，”菲斯特说。“只有将量子光学实验从受保护的光学实验室转移到与场兼容的光子芯片上善意量子技术将能见天日。我们非常幸运，能够吸引到像徐毅这样的量子光子学世界专家来UVA，我对这些新结果为我们打开的前景感到非常兴奋。”

李的团队在光学微谐振器中创造了一个量子源。微谐振器是一种环形的、毫米大小的结构，封装光子并产生一个微梳，这是一种有效地将光子从单个波长转换为多个波长的设备。光围绕环循环以增加光功率。这种能量的积累增加了光子相互作用的机会，从而在微梳中的光场之间产生量子纠缠。通过多路复用，Yi的团队验证了从芯片上的单个微谐振器产生40个四阶模，证明了量子模的多路复用可以在集成光子平台上工作。这只是他们能够测量的数字。

“我们估计，当我们优化系统时，我们可以从单个设备产生数千个qumodes，”Yi说。

易的多路复用技术为现实世界的量子计算开辟了一条道路，在现实世界中，错误是不可避免的。即使在传统的计算机中也是如此。但是量子态比经典态脆弱得多。

补偿错误所需的量子位元数量可能超过100万，设备的数量也会相应增加。多路复用将所需的设备数量减少了两到三个数量级。

易建联的光子系统在量子计算的探索中提供了两个额外的优势。使用超导电子电路的量子计算平台需要冷却到低温。由于光子没有质量，带有光子集成芯片的量子计算机可以在室温下运行或休眠。此外，李利用标准的光刻技术在硅片上制作了微谐振器。这很重要，因为这意味着谐振腔或量子源可以批量生产。

“我们很自豪能推动量子计算的工程前沿，加速从体光学到集成光子学的转变，”易说。“我们将继续探索在基于光子的量子计算平台上集成设备和电路的方法，并优化其性能。”

作者:Zijiao Yang, Mandana Jahanbozorgi, Dongin Jeong, Shuman Sun, Olivier Pfister, Hansuek Lee and Xu Yi, 2021年8月6日自然通讯．
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 25054 - z