布里斯托爾大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種很有前途的新方法，可以將光和硅微芯片結(jié)合起來，制造下一代量子模擬器。在發(fā)展量子機(jī)器的路線圖中，能夠在解決特定問題方面與經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)競爭并戰(zhàn)勝它們，科學(xué)界正面臨兩大技術(shù)挑戰(zhàn)。

第一個是建立大規(guī)模處理信息的大型量子電路的能力，第二個是創(chuàng)造大量單個量子粒子的能力，這些粒子可以通過這樣的電路編碼和傳播量子信息。

為了發(fā)展一種能夠克服經(jīng)典機(jī)器的先進(jìn)量子技術(shù)，這兩個要求都需要得到滿足。硅量子光子學(xué)是一個很有前途的平臺來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)技術(shù)中，光的單粒子光子攜帶信息在硅微芯片中產(chǎn)生和處理。這些器件利用集成波導(dǎo)(類似于光纖在納米尺度上的結(jié)構(gòu))來引導(dǎo)和操縱納米尺度上的光。至關(guān)重要的是，光子芯片的制造需要半導(dǎo)體工業(yè)中用于制造電子微芯片的相同技術(shù)，這使得大規(guī)模制造量子電路成為可能。

在布里斯托爾大學(xué)量子工程技術(shù)(QET)實(shí)驗(yàn)室，研究小組展示了嵌入由近1000個光學(xué)元件組成的量子干涉硅光子芯片，這比僅僅幾年前可能實(shí)現(xiàn)的要高幾個數(shù)量級。然而，一個懸而未決的大問題是，這些設(shè)備是否也能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的光子，來執(zhí)行有用的量子計(jì)算任務(wù)。這項(xiàng)研究2019年7月2日發(fā)表在《自然物理》上，表明這個問題有一個積極的答案。通過探索硅量子光子學(xué)的最新技術(shù)發(fā)展，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，即使是小規(guī)模的硅光子電路也可以產(chǎn)生和處理大量光子。

這在集成光子學(xué)中是前所未有的，事實(shí)上，由于光子損耗等電路缺陷，以往的集成光子學(xué)演示大多局限于僅在芯片上產(chǎn)生兩個光子并進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)，僅在去年，就有報(bào)道稱使用復(fù)雜電路進(jìn)行了四光子實(shí)驗(yàn)。在這項(xiàng)研究中，通過改進(jìn)每個集成組件的設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)表明，即使是簡單電路也可以產(chǎn)生最多8個光子的實(shí)驗(yàn)，是之前集成光子學(xué)記錄的兩倍。此外，分析表明，通過放大電路復(fù)雜度(這是硅平臺的一個強(qiáng)大功能)，可以進(jìn)行超過20個光子的實(shí)驗(yàn)。

預(yù)計(jì)光子量子機(jī)器將超過最好的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)，該研究還研究了這種近期光子量子處理器進(jìn)入量子優(yōu)勢領(lǐng)域的可能應(yīng)用。特別是，通過重新配置芯片中的光學(xué)非線性類型，證明了硅芯片可以用來執(zhí)行各種量子模擬任務(wù)，稱為玻色子采樣問題。對于其中一些協(xié)議（例如高斯玻色子采樣）這個新的演示是世界上第一次。該團(tuán)隊(duì)還證明，使用這種協(xié)議，硅量子器件將能夠解決工業(yè)相關(guān)問題。特別地，展示了如何用高斯玻色子采樣在這種類型設(shè)備上模擬化學(xué)問題，即在分子進(jìn)行電子變換時發(fā)現(xiàn)分子的振動躍遷。

布里斯托爾大學(xué)納米科學(xué)和量子信息中心的首席作者Stefano Paesani博士說：發(fā)現(xiàn)表明，超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的光子量子模擬器，是硅量子光子學(xué)平臺近期的現(xiàn)實(shí)前景。這種量子機(jī)器的發(fā)展可能對化學(xué)、分子設(shè)計(jì)、人工智能和大數(shù)據(jù)分析等工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生突破性影響，應(yīng)用包括設(shè)計(jì)更好的藥物和能夠更有效地產(chǎn)生能量分子狀態(tài)工程。合著者Raffaele Santagati博士說：這些結(jié)果讓我們相信，量子機(jī)器里程碑式的速度比任何現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)都要快，在集成量子光子學(xué)平臺的范圍之內(nèi)。

雖然其他技術(shù)也有能力達(dá)到這種狀態(tài)，例如捕獲離子或超導(dǎo)系統(tǒng)，但光子學(xué)方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢，具有研究的近期應(yīng)用。光子之路雖然危險，但已經(jīng)確定，非常值得探索。布里斯托爾大學(xué)物理學(xué)副教授安東尼·萊恩教授說：通過將在同一芯片中產(chǎn)生和處理的光子數(shù)量增加兩倍，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為將量子模擬器擴(kuò)大到幾十個光子打下了基礎(chǔ)，與當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算硬件的性能比較將變得很有意義。

博科園｜研究/來自：布里斯托大學(xué)

參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0567-8

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