硅晶元中光量子態的產生與取樣技術
通過探索複雜的集成電路，可以在更大的尺度上產生和處理光子態。來自布里斯托爾大學和丹麥工業大學的科學家們發現了一種很有前途的新方法，可以將光和硅微晶元結合起來製造下一代量子模擬器。
在發展量子機的路線圖中，科學界面臨著兩個主要的技術挑戰，它們能夠在解決特定問題時與經典超級計算機競爭並克服這些挑戰。
第一種是構建能夠大規模處理信息的大量子電路的能力，第二種是創造大量單個量子粒子的能力，這些粒子可以編碼並通過這些電路傳播量子信息。
為了開發一種能夠克服經典機器的先進量子技術，需要滿足這兩個要求。
硅量子光子學是一個非常有前途的平台，可以解決這些挑戰。在這項技術中，光子（光的單粒子）攜帶的信息是在硅微晶元中產生和處理的。
這些器件利用集成波導（類似於納米尺度的光纖）在納米尺度上引導和操縱光。
最關鍵的是，光子晶元的製造需要與半導體工業中製造電子微晶元的技術相同，使得大規模製造量子電路成為可能。
在布里斯托爾大學的量子工程技術（QET）實驗室里，研究小組最近展示了一種硅光子晶元，這種晶元嵌入了由近千個光學元件組成的量子干涉儀，其數量級比幾年前可能的要高。
然而，仍然沒有解決的一個大問題是，這些設備是否也能夠產生足夠大的光子來執行有用的量子計算任務。今天發表在《自然物理學Nature Physics》雜誌上的布里斯托爾領導的研究表明，這個問題有一個積極的答案。
通過探索硅量子光子學的最新技術發展，研究小組已經證明，即使是小尺寸硅光子電路也能產生和處理許多在集成光子學中前所未有的光子。
事實上，由於電路中存在光子損耗等缺陷，過去集成光子學中的演示大多局限於僅在晶元上生成和處理兩個光子的實驗，而僅去年，就報告了使用複雜電路進行的四光子實驗。
量子工程技術（QET）實驗室的研究人員正在進行硅量子光子學實驗。從左到右：安東尼·萊恩教授、斯特凡諾·帕薩尼博士和拉斐爾·桑塔加蒂博士。
在這項工作中，通過改進每個集成元件的設計，研究小組證明，即使是簡單的電路也能產生多達8個光子的實驗，這是集成光子學先前記錄的兩倍。此外，他們的分析表明，通過放大電路複雜性（這是硅平台的強大功能），可以進行超過20個光子的實驗，光子量子機有望超越最好的經典超級計算機。
該研究還研究了這種進入量子優勢機制的近期光子學量子處理器的可能應用。
特別是，通過重新配置晶元中的光學非線性類型，他們證明了硅晶元可用於執行各種量子模擬任務，即玻色子採樣問題。
例如，對於其中一些協議，高斯玻色子採樣這一新的演示是世界上首次。
研究小組還證明，使用這種協議，硅量子器件將能夠解決與工業有關的問題。特別是，他們展示了如何利用高斯玻色子取樣在我們的設備上模擬電子變換分子中振動躍遷的化學問題。
主要作者、布里斯托爾大學納米科學和量子信息中心的Stefano Paesani博士說：「我們的發現表明，光子量子模擬器超越經典超級計算機是硅量子光子學平台的一個現實的近期前景。這種量子機的發展可能對化學、分子設計、人工智慧和大數據分析等工業相關領域產生突破性的影響。」
「應用包括設計更好的藥劑學，以及設計能更有效地產生能量的分子態。」
合著者拉斐爾·桑塔加蒂博士補充道，所獲得的結果使我們確信，量子機器的里程碑比任何當前的經典計算機都快，在集成量子光子學平台的範圍內。
「雖然其他技術也確實有能力達到這種狀態，例如俘獲離子或超導系統，但光子學方法具有我們研究的短期應用的獨特優勢。光子之路雖然危險，但已經確定，而且非常值得追求。」
布里斯托爾的物理學副教授安東尼·萊恩教授負責這個項目。他說：「在同一晶元中產生和處理的光子數量翻兩番的過程中，研究小組為將量子模擬器擴展到數十個光子設置了場景，在這些光子中，性能與當今標準計算硬體的比較變得有意義。」
來源：https://phys.org/news/2019-07-sampling-quantum-states-silicon-chip.html
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