仅硬币大小！科学家首次实现量子光源完全“片上化”

近日，由德国汉诺威莱布尼茨大学、荷兰特文特大学和荷兰光量子技术初创公司QuiX Quantum组成的国际研究团队宣布开发出一种完全集成在芯片上的纠缠量子光源。

整个量子光源装在一个比一欧元硬币还小的芯片上——据他们表示，这是全球首次实现这一成果。相关论文已发表在《自然·光子学》杂志（Nature Photonics）上。

（图片来源：Leibniz University Hannover）

光源尺寸缩小1000多倍

研究人员通过使用一种新的“混合技术”，将磷化铟制成的激光器和氮化硅制成的过滤器结合在一块芯片上，将光源的尺寸缩小了1000多倍。这种新光源高效稳定，可以应用于驱动量子计算机或量子互联网。

汉诺威莱布尼茨大学（Leibniz University Hannover）光子学研究所主任、Cluster of Excellence PhoenixD产业集群董事会成员Michael Kues教授表示：“我们的突破使我们能够将光源尺寸缩小1000多倍，从而实现可重复性、长时间稳定性、可扩展性和潜在的大规模生产。所有这些特性都是量子处理器等现实世界应用所必需的。”

量子光源产生光量子，后者可以用作量子比特（量子计算机和量子互联网的基本组成部分）。而今，片上光子学已经成为处理光量子态的先进平台，因为它紧凑、稳定，并且能够在单个芯片上安排配置一系列元素。

在这种设备中，光通过极其紧凑的结构被引导到芯片上，这种结构可用于构建光子量子计算系统。如今，这些已经可以通过云访问。由于具备可扩展性，它们可以解决传统计算机因其有限的计算能力而无法完成的任务——这种优势被称为“量子优势”（Quantum Advantage）。

新型芯片设计

Kues的博士生Hatam Mahmudlu表示：“迄今，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。然而，我们通过一种新颖的芯片设计，以及利用不同的集成平台来克服这些挑战。”

他们的新发展是一种电激发、激光集成的光子量子光源，完全可以安装在芯片上，并且可以发射频率纠缠的量子比特状态。

“量子比特非常容易受到噪声的影响。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，”Michael Kues小组的研究员Raktim Haldar博士表示，“以前，在同一芯片上集成激光器、滤波器和腔是一个主要挑战，因为没有独特的材料可以有效地构建这些不同的组件。”

这一系列操作的关键是混合技术，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，激光场产生两个光子。每个光子同时跨越一系列颜色，这被称为“叠加”（superposition），两个光子的颜色是相关的，这意味着光子纠缠在一起，可以存储量子信息。Michael Kues指出，他们由此实现了量子计算机或量子互联网应用所需的卓越效率和状态质量。

与目前在低温系统中使用超冷量子比特的版本不同，即使在室温下，在芯片上使用这种光子系统也可以实现量子优势。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。