中外科研人员合作开发出一款光量子硅基芯片

图片来源：强晓刚/ 布里斯托大学

通过允许将数十亿个 晶体管封装在单个芯片上 ，硅为我们拥有今天的计算机做出了举足轻重的贡献。而且，将来还会出现基于它的更强大的计算机。

最近，一个由中国、英国和澳大利亚的研究人员组成的合作研究团队研发出了一种可对单光子进行操纵以制造光量子处理器的硅芯片。 “ 我们制造了一种光量子处理器，它可以创建和操纵使用光子编码的两个量子比特， 可 用于通用的双量子比特量子计算 。 ” 位于长沙的国防科技大学的助理 研究员 强晓刚 说。 他 是发表在9 月 期的 《自然 ·光子学》（ Nature Photonics ） 上的 论文“ Large-scale silicon quantum photonics implementing arbitrary two-qubit processing ”的第一作者，这篇论文介绍了这个团队的研究成果。

量子计算 建立在 量子力学 不可思议的 规则 基础上 ，这使得它有可能 执行 传统计算机设计永远无法实现的计算 ， 例如快速破解加密代码或模拟大爆炸。量子计算机基于量子比特， 后者 类似于 传统 计算中的比特。但与我们熟悉的传统计算机的1 和 0 不同的是 ，量子比特可以叠加，同时保持多个状态，从而 扩大了 其计算能力。它们也可以纠缠在一起，因此测量一个量子比特可以提供有关另一个量子比特状态的信息。

IBM 和 Google等 公司 都 在努力开发具有足够 多相连在一起的 量子比特的设备 来 执行强大的计算。但到目前为止， 它们 只 实现了将几十个量子比特相连接。最有竞争力的量子比特 是超导 量子比特 ，采用激光捕获 离子和原子并将它们冷却到 冷却到接近绝对零度。 超导量子比特的问题在于， 随着系统中量子比特数的增加，它们与外部世界交互的可能性越大，它们就越有可能失去量子态 （ 即相干态 ） ， 并 变得无用。

但光子不 会 有这个问题， 强晓刚 说 。“ 光子不 会 与环境相互作用，因此我们不会 遭遇相干态 时间 短的问题。” 他说，光子也可以 被 超高精度 操纵 。当然，它们 是 以光速 传播的 。最重要的是，光子芯片可以利用计算机行业 已经 建立的 整个基于 硅 的 基础设施。

这种 芯片由 很多个 干涉仪组成，这些干涉仪将光子分 成 不同的空间模式。每 个 模式都 穿 过一 个 特定的波导， 这样使一个光子 在一个波导中代表 a 1 ，而在另一个波导中它代表 a 0。 知道一个光子 走的是哪条 路径 ，就可以知道它 的纠缠伙伴 走的是 哪个路径。

光子使用由电压控制 的 热光移相器进行编码。 强晓刚说：“ 移相器的不同设置控制 着 光子在干涉仪中的 传播 行为， 使 不同的量子 比特状态 编码和不同的量子操作 成为可能。”

为了将 该 系统扩展 成 真正有用的东西，研究人员 需要找到某种 办法 ， 在芯片上产生更多相同的纠缠光子。在芯片上安装足够 多 的移相器 、 分束器和其他光学元件 来 处理所有这些光子 ， 也 是一项工程挑战 。但 强晓刚 表示，硅光子学已经 显示出 了将许多 元件 塞进狭小空间并使它们全部 以 高精度工作的能力， “ 因此 ， 它实际上是实现最终 的 大规模光量子处理器的 可行 方法。 ”

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