新型量子光子学技术

研究人员提出了一种新型的全电、片上量子光子平台。量子计算机利用量子力学的基本原理潜在地加速了复杂计算的求解过程。假设您需要执行在电话簿中搜索特定号码的任务。经典的计算机会搜索电话簿的每一行，直到找到一个匹配的。量子计算机可以通过同时评估每条线路同时搜索整个电话簿，并更快地返回结果。

速度上的差异是由于计算机处理信息的基本单元造成的。在经典计算机中，这个基本单位被称为位，表示0或1的电脉冲或光脉冲。量子计算机的基本单位是一个量子位，它可以同时表示0和1之间的许多值的组合。正是这种特性使得量子计算机能够加快计算速度。量子比特的缺点是它们存在于脆弱的量子状态中，容易受到环境噪声的影响，例如温度的变化。因此，在受控环境中产生和管理量子位给研究人员带来了重大挑战。

 

加州大学圣塔巴巴拉分校的工程师、电气和计算机工程的助理教授加兰·穆迪，提出了一个解决方案，以克服现有的量子计算原型的效率和性能，使用光来编码和处理信息。光学系统之所以具有吸引力，是因为它们自然地将量子计算和网络连接在同一个物理框架中。然而，现有技术仍然需要片外光学操作，这显著地降低了效率、性能和可扩展性。穆迪在他的项目“全芯片异质iii-v/硅光子学：线性光学量子计算”中，旨在创建一个光学量子计算平台，在这个平台上，所有重要组件都集成到一个半导体芯片上。 

 “集成电子电路使经典计算有了革命性的进步。”穆迪说：“我们的目标是创造出对量子计算有同样影响的集成光子电路。这可能会大大提高效率和处理速度，并使利用光处理和传输信息的全新方法成为可能。” 

穆迪的研究项目现在得到了美国空军的大力推动。他是美国空军科学研究办公室（air force office of scientific research）为2019年青年研究员奖（young investors award）挑选的40名早期职业科学家之一。获奖者将在三年内获得45万美元的奖金来支持他们的工作。该计划旨在促进年轻科学家的研究，支持空军控制和最大限度地利用空气、空间和网络空间的任务，以及科学和工程方面的相关挑战。 

穆迪说：“很荣幸能成为这一批有才华的获奖者，我很感谢被选中。”这个奖项将使我的研究小组能够对激动人心的、快速发展的量子信息领域产生更有意义的影响。”

为了开发一个全电子、全芯片的量子光子平台，穆迪提议整合三种针对不同平台和应用开发的技术。这些元件是电驱动的量子点单光子源、用于光学操作的硅基光子学和超导纳米线单光子探测器。 

他说：“我们将利用物理建模来指导设备的设计和制造。量子光学光谱学将使我们深入了解材料特性和噪声源，而片上光学干涉仪将使我们能够进行测量，从而提高材料纯度，监测光源并进行计算。最终，我们希望更好地理解和利用量子力学为计算和网络提供的任何优势。” 

穆迪认为，这项新技术还可能在交钥匙量子光源等领域产生变革性影响，以实现安全通信，并可以降低激光和LED等经典光子器件的尺寸、重量和功耗。 

原文来源：https://phys.org/news/2019-10-quantum-photonics.html