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集成在光学电路中的单光子源问世,单光子量子计算有望成为现实
金陵 2016-04-01
导语

荷兰代尔夫特理工大学的一个研究小组找到了一种能够完全集成在光学电路中进行光学量子计算的单光子源。该发现为单光子量子计算的出现铺平了道路。

由于量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的电子计算机,因此量子计算机被认为是下一代计算机技术,但距离真正实现量子计算仍然存在很多障碍。

截至目前,国际上不少研究团队已经实现了能用数个光子小规模进行光学量子计算,“线性光学量子计算”的可行性已获充分证明,但单光子量子计算仍然鲜有涉及。

研究人员认为,要打造一个高效的单光子量子计算系统,面临的最大挑战是将多个此前互不兼容的组件整合到一个平台上。这些组件包括一个单光子源(参见:中科大实现国际性能最优的单光子源)、路由设备(例如波导),以及用于操纵光子的腔体、过滤器,还有量子门装置和单光子探测器。

日前,荷兰代尔夫特理工大学的一个研究小组找到了一种能够完全集成在光学电路中进行光学量子计算的单光子源。该发现为单光子量子计算的出现铺平了道路。相关论文发表在最新一期的《纳米快报》杂志上。

在新的研究中,研究人员创造性地将能产生量子点的单光子嵌 入一段纳米导线内并将其封装在一个波导当中。要实现这一点,需要有极高的精度,他们使用了一种名为“纳米机械手”的部件。一旦进入波导内,研究人员就能操 纵单光子使其进入特定的光学电路。

负责此项研究的荷兰代尔夫特理工大学的伊曼·艾斯迈尔·扎德说:“我们提出并实现了集成量子光学,它 能兼顾高品质单光子源和硅基光学的优势,是一种混合解决方案。此外,与类似研究不同的是,该技术是完全确定的,即具备所选属性的量子源与量子电路是一体 的。新方法有望成为未来可伸缩集成量子光学电路的基础部件。此外,该平台还为物理学家研究纳米尺度以及量子电动力学中光与物质的相互作用提供了一种新工 具。”

线性光学量子计算中最重要的性能指标是单光子源与光子信道之间的耦合效率。低效率代表光子的损失,会降低计算机的可靠性。目前试验装置已经能够达到24%的耦合效率,并且经过对波导设计和相关材料的优化,这一数据有望提升到92%。

除了提高耦合效率,研究人员还计划在芯片上实现纠缠,以增加光子电路和单光子检测器的复杂性,最终在芯片上集成量子网络。

文章链接:

Deterministic Integration of Single Photon Sources in Silicon Based Photonic Circuits

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作者 金陵

本科生

北京大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
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