科学家成功在硅芯片上制成“量子微梳”

量子科学在通讯领域和信息计算领域带来了革命性的变化。近日，来自弗吉尼亚大学的Xu Yi教授在量子领域引入了多路复用的概念，与研究小组一起开辟了一条通往现实世界条件下的量子计算之路。

由弗吉尼亚大学工程与应用科学学院电气与计算机工程助理教授徐毅领导的研究团队在光子器件的物理学和应用领域开辟了一片天地用途包括通信和计算。他的研究小组创建了一个可扩展的量子计算平台，该平台在一个一美分大小的光子芯片上大大减少了实现量子速度所需的设备数量。

该研究题为'A squeezed quantum microcomb on a chip'，于8月6日发表于《自然·通讯》期刊上。通讯作者为来自弗吉尼亚大学电气与计算机工程系的XuYi教授。弗吉尼亚大学量子光学和量子信息教授Olivier Pfister和韩国先进科学技术研究所助理教授Hansuek Lee为这一成功做出了贡献。

基于光学微谐振器的微梳（microcomb）为非线性物理研究提供了一个多功能平台，并具有从计量学到光谱学的广泛应用。确定性量子机制是微梳的一个尚未探索的方面，其中数百个等距频率模式之间的无条件纠缠可以作为可扩展的通用量子计算和量子网络的关键成分。

Yi的团队展示了在硅芯片上的二氧化硅微谐振器中的确定性量子微梳。这是一种环形、毫米大小的结构，可包裹光子并产生微球体，能有效地将光子从单个波长转换为多个波长的装置。光在环周围循环以建立光功率。这种能量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。

通过复用，Yi的团队在电信波长的 1 THz 光跨度内，以 20 个同时双模式压缩梳对的形式观察到 40 个连续可变量子模式。与此同时，团队通过实验实现了 1.6 dB 的最大原始压缩，开发了高分辨率光谱测量来表征量子微梳的频率等距。

这一演示提供了利用确定性生成的频率复用量子态和集成光子学在光谱学、量子计量学和可扩展、基于连续变量的量子信息处理领域开辟新途径的可能性。

Yi的多路复用技术为现实世界条件下的量子计算开辟了道路，在这种情况下，错误是不可避免的。即使在经典计算机中也是如此。但是量子态比经典态脆弱得多。

补偿错误所需的量子位数量可能超过一百万，设备数量也会相应增加。多路复用将所需的设备数量减少了两个或三个数量级。

Yi的基于光子学的系统在量子计算任务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，Lee使用标准光刻技术在硅芯片上制造了微谐振器。这很重要，因为这意味着可以批量生产谐振器或量子源。

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