光子芯片技术的突破为在真实世界条件下实现量子计算开辟了道路

量子计算市场预计到2030年将达到650亿美元，这是投资者和科学家的热门话题，因为它有可能解决难以理解的复杂问题。药物发现就是一个例子，为了了解药物的相互作用，一家制药公司可能想模拟两个分子的相互作用。挑战在于每个分子由几百个原子组成，科学家们必须模拟这些原子在各自的分子被引入时可能出现的所有排列方式。

可能的配置数量是无限的，比整个宇宙中的原子数量还要多，这个时候就需要量子计算机的帮助。

量子计算的主流使用仍然是几十年后的事，而全球各地的大学和私营企业的研究团队正在研究该技术的不同层面。

弗吉尼亚大学工程和应用科学学院电气和计算机工程助理教授Xu Yi领导的研究小组在光子设备的物理学和应用方面占据了一席之地，这些设备检测和塑造光，用于包括通信和计算在内的广泛用途。他的研究小组创建了一个可扩展的量子计算平台，该平台在一美分大小的光子芯片上大幅减少了实现量子速度所需的设备数量。

这种硅芯片包含三个光学微谐振器，它们包裹着光子并产生一个微梳子，以有效地将光子从单一波长转换到多个波长。Yi的团队验证了从单个微谐振器产生40个量子模式，证明了量子模式的复用可以在集成光子平台上发挥作用。

弗吉尼亚大学量子光学和量子信息教授Olivier Pfister和韩国高等科学技术学院助理教授Hansuek Lee为这一成功做出了贡献。

《自然通讯》最近发表了该小组的实验结果"芯片上的挤压式量子微梳"。Yi小组的两名成员，物理学博士生Yang Ziqiao和电子和计算机工程博士生Mandana Jahanbozorgi是该论文的共同第一作者。美国国家科学基金会的量子通信工程量子集成平台项目的资助支持了这项研究。

由弗吉尼亚大学工程和应用科学学院电气和计算机工程助理教授Xu Yi领导的研究小组在光子设备的物理学和应用方面占据了一席之地，这些设备检测和塑造光，用于包括通信和计算在内的广泛用途。资料来源：弗吉尼亚大学

量子计算有望带来一种全新的信息处理方式。你的台式电脑或笔记本电脑以长串比特的方式处理信息。一个比特只能容纳两个值中的一个：零或一。量子计算机以并行方式处理信息，这意味着它们不必等待一个信息序列被处理后再计算更多信息。它们的信息单位被称为量子比特，是一种可以同时为一和零的混合体。一个量子模式，或称qumode，跨越了1和0之间的全部变量--小数点右边的数值。

研究人员正在研究不同的方法，以有效地生产实现量子速度所需的大量量子模。

Yi的基于光子学的方法很有吸引力，因为一个光场也是全光谱的；光谱中的每个光波都有可能成为一个量子单元。Yi假设，通过纠缠光场，光将达到量子状态。

你可能对通过互联网传递信息的光纤很熟悉。在每根光纤中，许多不同颜色的激光器被平行使用，这种现象称为复用。Yi将多路复用的概念带到了量子领域。

2014年，Pfister的小组成功地在一个大体量光学系统中产生了超过3000个量子模式。然而，使用这么多的量子模式需要很大的占地面积，以包含运行算法和执行其他操作所需的数千个镜子、镜头和其他组件。Xu Yi的研究小组在一个光学微谐振器中创造了一个量子源，这是一个环形的、毫米大小的结构，包裹着光子并产生一个微梳子，这个装置可以有效地将光子从单一波长转换到多个波长。光在环状物周围循环，以建立起光功率。通过复用，Yi的团队验证了从一个芯片上的单个微谐振器产生40个量子模式，证明了量子模式的复用可以在集成光子平台上发挥作用。这只是他们能够测量的数字。预计优化系统后，可以从一个设备中产生数千个量子模。

Yi的多路复用技术为现实世界条件下的量子计算开辟了一条道路，尽管错误是不可避免的，即使在经典计算机中也是如此。但是量子状态比经典状态要脆弱得多。补偿错误所需的量子比特数量可能超过一百万，设备数量也会相应增加，而复用可以将所需的设备数量减少两到三个数量级。

Yi的基于光子学的系统在量子计算的探索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睡眠。此外，Lee利用标准光刻技术在硅芯片上制造了微谐振器。这很重要，因为它意味着谐振器或量子源可以被大规模生产。

Yi说："我们很自豪地推动了量子计算的工程前沿，并加速了从体光学到集成光子学的过渡。研究团队将继续探索在基于光子学的量子计算平台中集成器件和电路的方法，并优化其性能。"