量子計(jì)算機(jī)規(guī)模化再進(jìn)一步，超高速光子芯片成關(guān)鍵

德國(guó)科學(xué)家成功研發(fā)出超高速超低損耗的光學(xué)相位調(diào)制器，為量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模化奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)有望推動(dòng)新一代量子技術(shù)的發(fā)展。科研團(tuán)隊(duì)將鐵電材料鈦酸鋇與III-V族光子學(xué)集成在同一芯片平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子光的高精度操控。

維爾茨堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)現(xiàn)一種在不破壞量子光所攜帶脆弱信息的前提下精確控制量子光的方法，攻克了量子計(jì)算最棘手的挑戰(zhàn)之一。這個(gè)革命性項(xiàng)目由物理學(xué)系鐵電35青年研究組負(fù)責(zé)人、博士生導(dǎo)師安德烈亞斯·芬寧教授主持，并獲得了德國(guó)聯(lián)邦教研部超過(guò)770萬(wàn)美元（折合人民幣約5654萬(wàn)元）的資金支持。

據(jù)報(bào)道，這種能以極高速度控制光信號(hào)且?guī)缀鯚o(wú)損耗的新型芯片，有望加速量子光子學(xué)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用和大規(guī)模推廣的進(jìn)程。在經(jīng)典光纖網(wǎng)絡(luò)中，光學(xué)相位調(diào)制器通過(guò)極高速改變光相位來(lái)編碼信息，是標(biāo)準(zhǔn)部件。但量子技術(shù)運(yùn)作條件更為嚴(yán)苛，即便是極微小的光損耗或額外噪聲都可能導(dǎo)致量子態(tài)坍縮。

為解決這一難題，芬寧團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將具有優(yōu)異電光特性的鐵電材料鈦酸鋇，集成到廣泛用于芯片上產(chǎn)生量子光的III-V族光子學(xué)平臺(tái)上。為保持鐵電行為所需的高純度，研究小組在實(shí)驗(yàn)室自主培育晶體。這種被稱(chēng)為分子束外延的方法，是材料研究中最精密的薄膜制造技術(shù)之一。

研究在戈特弗里德·蘭德維爾納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的超高真空潔凈室中進(jìn)行。目前正在安裝另一套系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)支持鐵電35小組的研究活動(dòng)。除了相位調(diào)制器，該團(tuán)隊(duì)還在構(gòu)建完整的光子量子電路工具包，包括波導(dǎo)、耦合器和集成量子光源。每個(gè)組件都經(jīng)過(guò)模擬、制造和測(cè)試的完整流程。

芬寧教授表示，他們正在構(gòu)建一個(gè)組件庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、組裝和直接制造，這就像用樂(lè)高積木搭建結(jié)構(gòu)，只要將正確元素放置在正確位置，功能性電路就會(huì)逐漸成型。這種模塊化策略不僅能夠即時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，還為實(shí)踐教育打開(kāi)了大門(mén)，讓學(xué)生能在真實(shí)研究環(huán)境中設(shè)計(jì)和測(cè)試量子光子學(xué)布局。

雖然完全可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)仍需多年發(fā)展，但這項(xiàng)新技術(shù)在先進(jìn)通信和光信號(hào)處理領(lǐng)域已展現(xiàn)出近期應(yīng)用前景。芬寧教授總結(jié)稱(chēng)，高速低損耗調(diào)制器對(duì)通信領(lǐng)域同樣意義重大，這項(xiàng)技術(shù)有望為該領(lǐng)域提供重要推動(dòng)力。

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