量子時代正在走來：薄膜鈮酸鋰量子芯片！

研究人員正在利用光子學(xué)來開發(fā)和擴展硬件，以滿足量子信息技術(shù)的嚴(yán)格要求。通過利用光子學(xué)的特性，研究人員指出了縮放量子硬件的好處。研究人員表示，如果成功的話，大規(guī)模量子硬件將實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)、多個量子設(shè)備之間的互連、量子計算和模擬的大規(guī)模光子電路。

來自丹麥、德國和英國的一個跨學(xué)科研究團隊正在專注于利用光子學(xué)的最佳方法，并利用其特性開發(fā)一個可以擴展量子硬件的平臺。為此，該團隊開發(fā)了一個基于薄膜鈮酸鋰的集成光子平臺，鈮酸鋰的單晶是光波的重要材料，是低損耗模式的理想調(diào)制器。

研究人員將集成光子平臺與基于納米光子波導(dǎo)中的量子點(半導(dǎo)體晶體)的確定性固態(tài)單光子源接口。由此產(chǎn)生的光子通過低損耗電路進行處理，據(jù)研究人員稱，這種電路可以以幾千赫茲的速度進行編程。研究人員指出，快速可重新編程的低損耗光電路是執(zhí)行光子量子信息處理任務(wù)的關(guān)鍵。

高速平臺為研究人員實現(xiàn)幾個關(guān)鍵的光子信息處理功能鋪平了道路。研究人員在實驗中觀察到的第一個處理功能是芯片上的量子干涉。研究人員使用了Hong-OuMandel (HOM)效應(yīng)，即當(dāng)觀察到雙光子干涉時，才會產(chǎn)生效應(yīng)。圖1顯示了進行的片上HOM實驗，該實驗測試了光子量子信息處理平臺的性能。

該團隊展示的另一個處理功能是集成的單光子路由器，這是光子信息處理的關(guān)鍵。研究人員展示了一種用于量子點發(fā)射光子的全片光子路由器。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，他們利用該平臺的能力，將快速移相器與量子發(fā)射器波長集成在一起，展示了集成的單光子路由器。

該團隊還實現(xiàn)了一個通用的四模干涉儀，由6個Mach-Zehnder干涉儀和10個相位調(diào)制器組成，如圖2所示。可編程多模量子干涉儀對于實現(xiàn)光子量子技術(shù)的基本功能至關(guān)重要。研究人員還表示，他們的干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)量子計算優(yōu)勢實驗或模擬量子模擬的電路。

在《Science Advances》發(fā)表的一篇研究論文中，研究人員詳細(xì)介紹了他們基于薄膜鈮酸鋰的高速集成光子平臺的開發(fā)。這篇論文的題目是“High-speed thin-film lithium niobate quantum processor driven by a solid-state quantum emitter”。文章作者認(rèn)為具有固態(tài)確定性光子源的集成光子學(xué)是多相擴展量子技術(shù)的一個有前途的選擇。展望未來，該平臺可以進一步優(yōu)化，以減少耦合和傳播損失。容錯量子計算架構(gòu)(每光子損耗水平小于10%)離現(xiàn)實更近了一步。