布里斯托尔大学和丹麦技术大学科学家们发现了一种很有前途的新方法，可以将光和硅微芯片结合起来，制造下一代量子模拟器。在发展量子机器的路线图中，能够在解决特定问题方面与经典超级计算机竞争并战胜它们，科学界正面临两大技术挑战。第一个是建立大规模处理信息的大型量子电路的能力，第二个是创造大量单个量子粒子的能力，这些粒子可以通过这样的电路编码和传播量子信息。
为了发展一种能够克服经典机器的先进量子技术，这两个要求都需要得到满足。硅量子光子学是一个很有前途的平台来应对这些挑战。在这项技术中，光的单粒子光子携带信息在硅微芯片中产生和处理。这些器件利用集成波导(类似于光纤在纳米尺度上的结构)来引导和操纵纳米尺度上的光。至关重要的是，光子芯片的制造需要半导体工业中用于制造电子微芯片的相同技术，这使得大规模制造量子电路成为可能。
在布里斯托尔大学量子工程技术(QET)实验室，研究小组展示了嵌入由近1000个光学元件组成的量子干涉硅光子芯片，这比仅仅几年前可能实现的要高几个数量级。然而，一个悬而未决的大问题是，这些设备是否也能产生足够强的光子，来执行有用的量子计算任务。这项研究7月2日发表在《自然物理》上，表明这个问题有一个积极的答案。通过探索硅量子光子学的最新技术发展，该团队已经证明，即使是小规模的硅光子电路也可以产生和处理大量光子。
这在集成光子学中是前所未有的，事实上，由于光子损耗等电路缺陷，以往的集成光子学演示大多局限于仅在芯片上产生两个光子并进行处理的实验，仅在去年，就有报道称使用复杂电路进行了四光子实验。在这项研究中，通过改进每个集成组件的设计，该团队表明，即使是简单电路也可以产生最多8个光子的实验，是之前集成光子学记录的两倍。此外，分析表明，通过放大电路复杂度(这是硅平台的一个强大功能)，可以进行超过20个光子的实验。
预计光子量子机器将超过最好的经典超级计算机，该研究还研究了这种近期光子量子处理器进入量子优势领域的可能应用。特别是，通过重新配置芯片中的光学非线性类型，证明了硅芯片可以用来执行各种量子模拟任务，称为玻色子采样问题。对于其中一些协议（例如高斯玻色子采样）这个新的演示是世界上第一次。该团队还证明，使用这种协议，硅量子器件将能够解决工业相关问题。特别地，展示了如何用高斯玻色子采样在这种类型设备上模拟化学问题，即在分子进行电子变换时发现分子的振动跃迁。
布里斯托尔大学纳米科学和量子信息中心的首席作者Stefano Paesani博士说：发现表明，超越经典超级计算机的光子量子模拟器，是硅量子光子学平台近期的现实前景。这种量子机器的发展可能对化学、分子设计、人工智能和大数据分析等工业相关领域产生突破性影响，应用包括设计更好的药物和能够更有效地产生能量分子状态工程。合著者Raffaele Santagati博士说：这些结果让我们相信，量子机器里程碑式的速度比任何现有经典计算机都要快，在集成量子光子学平台的范围之内。
虽然其他技术也有能力达到这种状态，例如捕获离子或超导系统，但光子学方法具有独特的优势，具有研究的近期应用。光子之路虽然危险，但已经确定，非常值得探索。布里斯托尔大学物理学副教授安东尼·莱恩教授说：通过将在同一芯片中产生和处理的光子数量增加两倍，该团队已经为将量子模拟器扩大到几十个光子打下了基础，与当今标准计算硬件的性能比较将变得很有意义。
博科园｜研究/来自：布里斯托大学
参考期刊《自然物理学》
DOI: 10.1038/s41567-019-0567-8
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