光子芯片技術(shù)的突破為在真實世界條件下實現(xiàn)量子計算開辟了道路
量子計算市場預(yù)計到2030年將達到650億美元，這是投資者和科學(xué)家的熱門話題，因為它有可能解決難以理解的復(fù)雜問題。藥物發(fā)現(xiàn)就是一個例子，為了了解藥物的相互作用，一家制藥公司可能想模擬兩個分子的相互作用。挑戰(zhàn)在于每個分子由幾百個原子組成，科學(xué)家們必須模擬這些原子在各自的分子被引入時可能出現(xiàn)的所有排列方式。
可能的配置數(shù)量是無限的，比整個宇宙中的原子數(shù)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后的事，而全球各地的大學(xué)和私營企業(yè)的研究團隊正在研究該技術(shù)的不同層面。
弗吉尼亞大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣和計算機工程助理教授Xu Yi領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在光子設(shè)備的物理學(xué)和應(yīng)用方面占據(jù)了一席之地，這些設(shè)備檢測和塑造光，用于包括通信和計算在內(nèi)的廣泛用途。他的研究小組創(chuàng)建了一個可擴展的量子計算平臺，該平臺在一美分大小的光子芯片上大幅減少了實現(xiàn)量子速度所需的設(shè)備數(shù)量。
這種硅芯片包含三個光學(xué)微諧振器，它們包裹著光子并產(chǎn)生一個微梳子，以有效地將光子從單一波長轉(zhuǎn)換到多個波長。Yi的團隊驗證了從單個微諧振器產(chǎn)生40個量子模式，證明了量子模式的復(fù)用可以在集成光子平臺上發(fā)揮作用。
弗吉尼亞大學(xué)量子光學(xué)和量子信息教授Olivier Pfister和韓國高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院助理教授Hansuek Lee為這一成功做出了貢獻。
《自然通訊》最近發(fā)表了該小組的實驗結(jié)果"芯片上的擠壓式量子微梳"。Yi小組的兩名成員，物理學(xué)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(xué)基金會的量子通信工程量子集成平臺項目的資助支持了這項研究。
由弗吉尼亞大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣和計算機工程助理教授Xu Yi領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在光子設(shè)備的物理學(xué)和應(yīng)用方面占據(jù)了一席之地，這些設(shè)備檢測和塑造光，用于包括通信和計算在內(nèi)的廣泛用途。資料來源：弗吉尼亞大學(xué)
量子計算有望帶來一種全新的信息處理方式。你的臺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。量子計算機以并行方式處理信息，這意味著它們不必等待一個信息序列被處理后再計算更多信息。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(shù)點右邊的數(shù)值。
研究人員正在研究不同的方法，以有效地生產(chǎn)實現(xiàn)量子速度所需的大量量子模。
Yi的基于光子學(xué)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(shè)，通過糾纏光場，光將達到量子狀態(tài)。
你可能對通過互聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)象稱為復(fù)用。Yi將多路復(fù)用的概念帶到了量子領(lǐng)域。
2014年，Pfister的小組成功地在一個大體量光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生了超過3000個量子模式。然而，使用這么多的量子模式需要很大的占地面積，以包含運行算法和執(zhí)行其他操作所需的數(shù)千個鏡子、鏡頭和其他組件。Xu Yi的研究小組在一個光學(xué)微諧振器中創(chuàng)造了一個量子源，這是一個環(huán)形的、毫米大小的結(jié)構(gòu)，包裹著光子并產(chǎn)生一個微梳子，這個裝置可以有效地將光子從單一波長轉(zhuǎn)換到多個波長。光在環(huán)狀物周圍循環(huán)，以建立起光功率。通過復(fù)用，Yi的團隊驗證了從一個芯片上的單個微諧振器產(chǎn)生40個量子模式，證明了量子模式的復(fù)用可以在集成光子平臺上發(fā)揮作用。這只是他們能夠測量的數(shù)字。預(yù)計優(yōu)化系統(tǒng)后，可以從一個設(shè)備中產(chǎn)生數(shù)千個量子模。
Yi的多路復(fù)用技術(shù)為現(xiàn)實世界條件下的量子計算開辟了一條道路，盡管錯誤是不可避免的，即使在經(jīng)典計算機中也是如此。但是量子狀態(tài)比經(jīng)典狀態(tài)要脆弱得多。補償錯誤所需的量子比特數(shù)量可能超過一百萬，設(shè)備數(shù)量也會相應(yīng)增加，而復(fù)用可以將所需的設(shè)備數(shù)量減少兩到三個數(shù)量級。
Yi的基于光子學(xué)的系統(tǒng)在量子計算的探索中提供了兩個額外的優(yōu)勢。使用超導(dǎo)電子電路的量子計算平臺需要冷卻到低溫。由于光子沒有質(zhì)量，帶有光子集成芯片的量子計算機可以在室溫下運行或睡眠。此外，Lee利用標準光刻技術(shù)在硅芯片上制造了微諧振器。這很重要，因為它意味著諧振器或量子源可以被大規(guī)模生產(chǎn)。
Yi說："我們很自豪地推動了量子計算的工程前沿，并加速了從體光學(xué)到集成光子學(xué)的過渡。研究團隊將繼續(xù)探索在基于光子學(xué)的量子計算平臺中集成器件和電路的方法，并優(yōu)化其性能。"
