2018/9/19 14:37

新光量子芯片研制成功可用于打造更强大的量子计算机

量子大观北山

近日，由墨尔本皇家理工大学的Alberto Peruzzo博士领导的研究小组开发了一种拓扑光子芯片来处理量子信息，首次证明量子信息可以与芯片上的拓扑电路进行编码，处理和传输。

这一突破为可拓展量子计算机提供了更“鲁棒性”的选择（即在系统中有参数扰动的情况下，保持性能和稳定），也为新材料、新一代计算机的发展和对基础科学带来更深入的理解。

研究人员与米兰理工大学和苏黎世联邦理工学院的科学家合作，利用拓扑光子学制造出了一个芯片，并在芯片上镶嵌了一个分束器用来产生一种高精度光子量子门。

“我们预计新的芯片设计将为研究拓扑材料中的量子效应以及集成光子技术中拓扑鲁棒量子处理的新领域开辟道路，”ARC声学首席研究员，量子计算卓越中心和通信技术（CQC2T）和量子光子实验室主任Peruzzo表示，“拓扑光子学具有不需要强磁场的优点，不仅在室温下能够保持高相干性，操作性上也更胜一筹。”

“而这些是制造大规模、可拓展量子计算机的基本要求。”Peruzzo博士如是说。

研究团队再现了经典的Hong-Ou-Mandel实验，并通过他们研发的拓扑光子芯片首次证明了这种拓扑状态可以承受高保真量子干涉。

Hong-Ou-Mandel效应是指量子光学中的两光子干涉作用。当一个光子入射到等分分束器时，它有相同的概率透射或者反射。当两个光子分别从分束器的两个端口入射时有四种可能：一个端口光子透射，另一个端口光子反射；两个端口光子都反射；两个端口光子都透射；一个端口光子反射，另一个端口光子透射。当两个光子的物理性质相同时，我们不能区分输出的状态，它们的玻色子性质确保它们从同一端口输出。这种双光子干涉效应长期以来一直在精确测量时间延迟上有很大的应用价值，例如测量由具有未知厚度轮廓的透明样品引起的时间延迟。然而，该技术从未达到过优于几飞秒的分辨率，严重限制了其应用。

Hong-Ou-Mandel干扰是光量子计算的核心，它对误差非常敏感。拓扑保护状态可以增加量子通信的鲁棒性，减少量子技术中普遍存在的噪声和缺陷。

RMIT博士生，论文首席作者Jean-Luc Tambasco表示，“在这之前，研究主要集中在使用‘经典的’激光来进行拓扑光子学，它表现为经典波。但在此次实验中，我们使用的是单光子，其行为与量子力学相符”。

此次高保真量子干涉的成功演示是使用单光子传输精确数据的前驱，这对组建全球性量子网络是不可或缺的。

“这项工作将量子技术和拓扑绝缘体这两个蓬勃发展的领域相互交叉，对材料学、新一代计算机以及基础科学都有着启发性的推进作用”，Peruzzo说。

据悉，该研究是CQC2T光子量子处理器计划的一部分。卓越中心正在开发使用光学和硅处理器的并行方法，以开发第一个量子计算系统。