光子芯片带来编程量子处理器


   新开发一种多用途光学芯片,可以生成、操纵和测量纠缠和混合这两种量子现象,这两种现象是基本驱动力量,可用于未来的量子计算机,这种芯片已开发出来,开发者是布里斯托尔大学(University of Bristol)量子光子学中心的研究人员。这项工作代表着重要的一步,这场比赛就是要开发量子计算机。

  一种基本方法可以驱动量子计算机,就是纠缠,它可以连接距离遥远的两个粒子,爱因斯坦称为著名“超距幽灵作用”(spooky action at a distance)。布里斯托尔大学研究人员首次表明,这一著名现象可以生成、操纵和测量,完全可以采用一个微小的硅芯片进行。他们还使用相同芯片来测量混合,这往往是环境中不需要的效果,但这种现象现在可以控制,用于表征量子电路,这也是物理学家的根本利益。

  “为了制成量子计算机,我们不仅要能够控制复杂的现象,如纠缠和混合,也要能够在芯片上做到这一点,这使我们可以升级、复制很多这样的微型电路,而采用的大多是相同的方式,就像我们今天的现代计算机,”杰里米•奥布莱恩教授(Jeremy O'Brien)说,他是量子光子学研究中心主任。“我们的设备可以做到这一点,而且我们相信,这是前进了一大步,将带来光学量子计算。”

  这种芯片有70毫米×3毫米,可以进行几个实验,而通常情况下,每个实验都要采用光学平台,平台有一个大餐桌大小。它包含微小的通道网络,可以诱导、操作和互动单光子,也就是光的粒子。使用8个可重构电极,嵌入电路,光子对就可以被操纵和纠缠,这可以产生任何可能的双光子纠缠态,或单光子的任何混合态。

  “这并不理想,因为你的量子计算机只能执行一个特定的任务,” 彼得•夏德保尔特(Peter Shadbolt)解释说,他是这项研究的主要作者,论文发表在《自然•光子学》(Nature Photonics)杂志上。“我们宁愿有一个可重构的装置,可以执行各种各样的任务,很像我们今天的台式电脑,这种可重构性能正是我们现在证明的。这一设备比以前的实验复杂10倍左右,以前的实验也使用这种技术。这是令人兴奋的,因为我们可以用非常简单的方式,进行许多不同的实验,用一个单一的可重构芯片就行。”

  这些研究人员一直在开发量子光子芯片,已经过去6年了,目前,正在升级这一复杂的设备,把这项技术作为构建模块,用于未来的量子计算机。

  英国伦敦帝国学院(Imperial College in London)特里•鲁道夫(Terry Rudolph)博士认为,这项工作是一项重大的进步。他说:“能够生成、操纵和测量纠缠,在芯片上做成,就是一个了不起的成就。它不仅是一项关键进步,可用于很多量子技术,如光学量子计算,这些技术会彻底改变我们的生活,而且,它给了我们更多的机会,可以探讨和摆弄一些很怪异的量子现象,这些现象我们仍在努力理清头绪。他们使这很容易了,几秒钟就可以做一个拨号实验,过去要用几个月,而且我甚至不知道,现在我是否可以做我自己的实验。”