光子芯片技術的突破為在真實世界條件下實現量子計算開闢了道路_風聞

量子計算市場預計到2030年將達到650億美元，這是投資者和科學家的熱門話題，因為它有可能解決難以理解的複雜問題。藥物發現就是一個例子，為了瞭解藥物的相互作用，一家制藥公司可能想模擬兩個分子的相互作用。挑戰在於每個分子由幾百個原子組成，科學家們必須模擬這些原子在各自的分子被引入時可能出現的所有排列方式。

可能的配置數量是無限的，比整個宇宙中的原子數量還要多，這個時候就需要量子計算機的幫助。

量子計算的主流使用仍然是幾十年後的事，而全球各地的大學和私營企業的研究團隊正在研究該技術的不同層面。

弗吉尼亞大學工程和應用科學學院電氣和計算機工程助理教授Xu Yi領導的研究小組在光子設備的物理學和應用方面佔據了一席之地，這些設備檢測和塑造光，用於包括通信和計算在內的廣泛用途。他的研究小組創建了一個可擴展的量子計算平台，該平台在一美分大小的光子芯片上大幅減少了實現量子速度所需的設備數量。

這種硅芯片包含三個光學微諧振器，它們包裹着光子併產生一個微梳子，以有效地將光子從單一波長轉換到多個波長。Yi的團隊驗證了從單個微諧振器產生40個量子模式，證明了量子模式的複用可以在集成光子平台上發揮作用。

弗吉尼亞大學量子光學和量子信息教授Olivier Pfister和韓國高等科學技術學院助理教授Hansuek Lee為這一成功做出了貢獻。

《自然通訊》最近發表了該小組的實驗結果"芯片上的擠壓式量子微梳"。Yi小組的兩名成員，物理學博士生Yang Ziqiao和電子和計算機工程博士生Mandana Jahanbozorgi是該論文的共同第一作者。美國國家科學基金會的量子通信工程量子集成平台項目的資助支持了這項研究。

由弗吉尼亞大學工程和應用科學學院電氣和計算機工程助理教授Xu Yi領導的研究小組在光子設備的物理學和應用方面佔據了一席之地，這些設備檢測和塑造光，用於包括通信和計算在內的廣泛用途。資料來源：弗吉尼亞大學

量子計算有望帶來一種全新的信息處理方式。你的台式電腦或筆記本電腦以長串比特的方式處理信息。一個比特只能容納兩個值中的一個：零或一。量子計算機以並行方式處理信息，這意味着它們不必等待一個信息序列被處理後再計算更多信息。它們的信息單位被稱為量子比特，是一種可以同時為一和零的混合體。一個量子模式，或稱qumode，跨越了1和0之間的全部變量--小數點右邊的數值。

研究人員正在研究不同的方法，以有效地生產實現量子速度所需的大量量子模。

Yi的基於光子學的方法很有吸引力，因為一個光場也是全光譜的；光譜中的每個光波都有可能成為一個量子單元。Yi假設，通過糾纏光場，光將達到量子狀態。

你可能對通過互聯網傳遞信息的光纖很熟悉。在每根光纖中，許多不同顏色的激光器被平行使用，這種現象稱為複用。Yi將多路複用的概念帶到了量子領域。

2014年，Pfister的小組成功地在一個大體量光學系統中產生了超過3000個量子模式。然而，使用這麼多的量子模式需要很大的佔地面積，以包含運行算法和執行其他操作所需的數千個鏡子、鏡頭和其他組件。Xu Yi的研究小組在一個光學微諧振器中創造了一個量子源，這是一個環形的、毫米大小的結構，包裹着光子併產生一個微梳子，這個裝置可以有效地將光子從單一波長轉換到多個波長。光在環狀物周圍循環，以建立起光功率。通過複用，Yi的團隊驗證了從一個芯片上的單個微諧振器產生40個量子模式，證明了量子模式的複用可以在集成光子平台上發揮作用。這只是他們能夠測量的數字。預計優化系統後，可以從一個設備中產生數千個量子模。

Yi的多路複用技術為現實世界條件下的量子計算開闢了一條道路，儘管錯誤是不可避免的，即使在經典計算機中也是如此。但是量子狀態比經典狀態要脆弱得多。補償錯誤所需的量子比特數量可能超過一百萬，設備數量也會相應增加，而複用可以將所需的設備數量減少兩到三個數量級。

Yi的基於光子學的系統在量子計算的探索中提供了兩個額外的優勢。使用超導電子電路的量子計算平台需要冷卻到低温。由於光子沒有質量，帶有光子集成芯片的量子計算機可以在室温下運行或睡眠。此外，Lee利用標準光刻技術在硅芯片上製造了微諧振器。這很重要，因為它意味着諧振器或量子源可以被大規模生產。

Yi説：“我們很自豪地推動了量子計算的工程前沿，並加速了從體光學到集成光子學的過渡。研究團隊將繼續探索在基於光子學的量子計算平台中集成器件和電路的方法，並優化其性能。”