芯片上的光子学：量子创新的未来

桑迪亚国家实验室和亚利桑那州立大学正在通过将光学系统小型化成芯片大小的集成微系统来增强量子技术。

这一合作旨在利用先进的光子学进行量子计算和安全通信，由量子协作组织资助的一项新计划强调了这一点。

协同量子创新

桑迪亚国家实验室和亚利桑那州立大学这两家领先的研究机构正在合作推进量子技术，将大型光学系统缩小为紧凑的集成微系统。

尼尔斯·奥特斯特罗姆（Nils Otterstrom）是桑迪亚大学专门研究集成光子学的物理学家，他正在领导将这些光学系统小型化的工作。这一突破有望增强性能和可伸缩性，应用范围从高级计算到安全通信。

“集成光子学将宏观尺度的光学系统变为微观尺度，”奥特斯特罗姆说，他在耶鲁大学获得应用物理学博士学位，并作为哈里·s·杜鲁门奖学金获得者加入桑迪亚大学。“我们在集成光子学领域所做的是开发新型设备，探索设备物理，以提供我们进行基础研究所需的所有功能，并创建下一代量子微系统。桑迪亚的微系统工程、科学和应用综合体（MESA）拥有世界一流的制造能力和高度的可定制性，这使我们在影响最尖端的科学和技术方面处于独特地位。”

量子网络的转变

奥特斯特罗姆一直在与亚利桑那州立大学量子网络高级主任乔·卢肯斯合作。卢肯斯是利用光的频率为量子计算和网络系统携带量子信息的领先专家。

这项工作最近通过由量子合作组织资助的一项新的合作研究与开发协议正式确定。量子协作将学术和研究机构（包括国家实验室）聚集在一起，以推进量子信息和技术研究，以及教育和劳动力发展。

“量子协作的灵感来自于对未来是量子的认识。如果我们要取得成功，它不能由单个调查员或甚至单个机构完成；这是不可能的，”卢肯斯说。“合作是一个由志同道合的人组成的有意网络，他们对建立量子信息技术感兴趣，这是我们联系和合作的一种方式。”

亚利桑那州资助量子合作项目，亚利桑那州立大学管理该项目。

从庞大系统到集成芯片的转变

在与桑迪亚达成协议之前，卢肯斯专注于光纤系统，用于他在频率bin量子信息处理方面的工作。他解释说，量子比特存在于各种平台中，包括光子学。

“在频率方法中，你的量子比特是一个可以同时拥有两种不同波长或颜色的光的光子，”卢肯斯说。“0对应一种颜色，1对应另一种颜色。这种编码对量子通信是有利的。它在光纤中传输良好。”

这项工作以前是用光学台上的商业光波组件完成的。

“我们正在使用庞大的系统。它们有很高的光子损耗，它们非常昂贵，并且占用很多空间，”卢肯斯说。“我认为我已经用频率bin编码的桌面设备做了我能做的一切。”

这就是桑迪亚的集成光子学资源发挥作用的地方。

“桑迪亚拥有世界上最灵活的代工厂之一，不仅在微电子领域，而且在光电子领域，”卢肯斯说，他指的是MESA综合体。“桑迪亚可以制造小型光子集成电路，可以实现与大平方米大小的光学桌相同的功能。”

桑迪亚国家安全光子学中心提供各种各样的组件和平台技术，在集成光子学方面拥有50多项专利。

量子光子学进展

空间分束器是量子光子学的基本组成部分，它吸收光子并将其向两个方向分裂。

“在这种频率编码范例中，我们需要创造特殊类型的分束器，而不是将一种颜色的光分成两种颜色，”奥特斯特罗姆说。“我们在桑迪亚与耶鲁大学彼得·拉基奇教授的团队合作开发的是这些非常高效的新型相位调制器。”

该装置基于悬浮硅波导，传输光和千兆赫声波，由共集成的氮化铝机电换能器产生。

“结果是高度灵活的光机械结构，声光将光子分成多个频率。这使得你可以在更高维度的空间中进行量子信息处理。”“你可以把它想象成光的颜色实际上可以携带量子信息。”

未来展望与应用

卢肯斯说，他的目标是将工作从原理验证实验转移到量子网络的部署。

“为了做到这一点，我们需要比目前商用设备更低损耗的系统，而且我们需要稍微便宜一点的系统，”卢肯斯说。“如果我们能在芯片上实现这些功能，现在我们正在谈论一种更实用、更合理的方式来实现量子网络。”

奥特斯特罗姆一直在指导卢肯斯获取显微镜和光学支架等组件，以便在桑迪亚大学实验室的测试台上使用桑迪亚制造的光子集成电路。

量子协作的里程碑

这种合作正在取得成效。桑迪亚实验室定向研究项目已经获得了1700万美元的奖金，用于推进该团队在基于频率的量子光子学方面的工作。这笔资金来自一个名为纠错光子集成量子比特（EPIQ）的大挑战项目。

“如果没有桑迪亚大学和亚利桑那州立大学之间的合作，我们可能就不会有现在的EPIQ大挑战，”该项目的首席研究员保罗·戴维斯（Paul david）说。“尼尔斯与乔·卢肯斯的联系开启了我们对频率编码光子量子比特的第一次探索。他在这一领域的周到领导以及乔·卢肯斯之前的工作和专业知识是EPIQ大挑战的核心。”

奥特斯特罗姆说，这笔资金将使与亚利桑那州立大学早期合作中探索的设备物理学的大规模实施和集成成为可能，以创造一个有用的可以纠错的光子量子位。

支持量子科技发展

除了参与量子协作之外，桑迪亚公司还作为西南先进原型中心的核心合作伙伴，提供MESA综合体的微电子原型能力。SWAP中心也由亚利桑那州立大学领导，是全国八个微电子共享中心之一。微电子公共项目是由国会颁布的《芯片与科学法案》资助的，该法案旨在启动美国半导体行业的竞争力，减少对外国供应商的依赖。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！