集成光子源：向大规模量子技术迈出重要一步

  据英国布里斯托大学官网近日报道，该校物理学家团队开发出首个集成光子源，从而有望提供大规模量子光子技术。

  时下，全球各国正在掀起一波研究量子计算机的热潮。大规模的量子计算机将能够解决现有最强大的超级计算机也难以解决的问题。据称，量子计算机有着比经典计算机解决问题快百万倍的速度。量子技术的发展将对科学、工程和社会等产生深远影响，并为人工智能、新材料、医学、密码学等诸多领域带来革命性的创新应用。

（图片来源：Tony Melov/UNSW）

  对于开发量子技术而言，集成量子光子学是一个很有前景的平台，因为它能在小型化的复杂光学电路中生成和控制光子(单个光粒子)。利用成熟的 CMOS硅工业来制造集成器件，可以在一个毫米级的芯片上集成相当于数千条光纤和元件的电路。

  加拿大魁北克大学国立科学研究院展示了芯片上的频率梳可同时产生多光子纠缠的量子状态(图片来源：INRS魁北克大学国立科学研究院)

  采用集成光子学开发可扩展的量子技术的需求非常旺盛。英国布里斯托大学是这一领域的先驱，发表在《自然通信(Nature Communications)》期刊上的新研究证明了这一点。

这项研究中用于生成和干涉高质量光子的硅光子芯片。（图片来源：布里斯托大学）

  论文领导作者 Stefano Paesani 博士解释道：“限制集成量子光子技术规模化的一个重要挑战就是，缺少能够生成高质量单光子的片上光源。如果没有低噪声光子源，当电路复杂度增加时，量子计算中的错误会迅速累积，导致计算不再可靠。此外，光源中的光学损耗限制了量子计算机可以生成和处理的光子数量。”

  “在这项工作中，我们找到了解决这个问题的一个方法，通过这个方法开发出了首个与大规模量子光子学兼容的集成光子源。为了实现高质量的光子，我们开发出一项称为‘模态间自发四波混频(inter-modal spontaneous four-wave mixing)’的新技术。在这项技术中，通过硅波导传播的多模式光线的非线性干涉，为生成单光子创造了理想条件。”

多模光源的设计与性能(图片来源：参考资料【1】

  布里斯托大学的量子工程技术实验室(QETLabs) Anthony Laing 教授课题组的团队与意大利特伦托大学的同事们在“Heralded Hong-Ou-Mandel”实验(该实验是光学量子信息处理中的一个重要实验)中，对这个光源在光子量子计算方面的应用进行了基准测试，并获得了迄今为止观察到的最高质量的片上光子量子干涉(96%可见度)。

Heralded Hong-Ou-Mandel 干涉（图片来源：参考资料【1】）

  Paesani 表示：“这个器件展现了目前对于任何光子源来说最佳的性能：光谱纯度和不可分辨性达到了99%，光子预告效率大于90%。”

多模和不可分辨性特征（图片来源：参考资料【1】)

  重要的是，该硅光子器件是通过CMOS兼容工艺在商业化的工厂中制造出来的，这意味着数千个光源可以轻易集成到单个器件上。这项研究由工程和物理科学研究理事会(EPSRC)量子计算和仿真中心以及欧洲研究委员会(ERC)资助，代表着朝着规模化构建量子电路的目标迈出了重要的一步，并为多项应用铺平了道路。

  Paesani 博士表示：“我们解决了之前限制光子量子信息处理规模化的一组关键的噪声问题。例如，数百个这样的光源组成的阵列，可用于构建近程嘈杂性中型量子(NISQ)光子机，在这里可以处理几十个光子来执行专门任务，例如模拟分子动力学或者某些与图论相关的优化问题。”

  目前，研究人员们已经思考出如何构建近乎完美的光子源，未来几个月内，这个硅平台的可扩展性将使他们在单颗芯片上集成数十到数百个光子源。以这样的规模开发电路，将使NISQ量子光子机有望解决工业相关的问题，而目前的超级计算机却无法解决这些问题。

  Paesani 博士表示：“此外，随着光子源的优化与小型化，我们的技术可能会通向集成光子平台的容错量子操作，充分释放量子计算机的潜力!”

  参考资料

  【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