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仅硬币大小！科学家首次展示完全集成的纠缠量子光源
光子盒研究院出品
近日，来自汉诺威莱布尼茨大学（德国）、特文特大学（荷兰）和初创公司 QuiX Quantum 的国际研究团队首次展示了一种完全集成在芯片上的纠缠量子光源。
研究结果发表在《自然·光子学》杂志上。
量子比特(qubits)是量子计算机和量子互联网的基本构成部分。量子光源产生的光量子（光子）可以作为量子比特使用。如今，片上光子学已经成为处理光量子态的领先平台，因为它结构紧凑、坚固，可以在一个芯片上容纳和安排许多元素。
如今，光在芯片上通过极其紧凑的结构被引导，这些结构被用来建立光量子计算系统。这些在今天已经可以通过云计算获得。
集成光子学最近已成为一个领先的平台，用于实现和处理紧凑、坚固和可扩展的芯片格式的光学纠缠量子态，应用于长距离量子安全通信、量子加速信息处理和非经典计量学。
然而，迄今为止开发的量子光源都依赖于外部笨重的激励激光器，这使得它们成为不切实际的原型设备，无法重现——这阻碍了它们的可扩展性和走出实验室进入真实世界的应用。
关键是“混合技术(hybrid technology)”，它将磷化铟制成的激光器、过滤器和氮化硅制成的腔体结合起来，并将它们汇集到一个芯片中。在芯片上，在一个自发的非线性过程中，两个光子从一个激光场中产生。每个光子同时跨越一个颜色范围，这被称为“叠加”，两个光子的颜色是相关的，也就是说，光子是纠缠的，可以存储量子信息。
此次，实验团队展示了一个完全集成的量子光源，通过集成一个激光腔、一个利用光学游标效应(Vernier effect)的高效可调谐噪声抑制滤波器（>55dB）和一个通过自发四波混合产生纠缠光子对的非线性微镜，克服了这些挑战。
该混合量子源采用了电泵浦磷化铟(InP)增益部分和Si3N4低损耗微扰滤波器系统，并展示了高性能参数，即在电信波段（带宽约1太赫兹）的四个谐振模式上的成对发射，以及在约80的高巧合-偶然比率下约620赫兹的显著成对检测率。该源直接创造了高维频仓纠缠量子态(qubits/qudits)，这一点通过量子干涉测量得到了验证，其可见度高达96%（违反贝尔不等式），并通过密度矩阵重建，显示出高达99%的保真度。
这一方法利用混合光子平台，实现了可扩展的、商业上可行的、低成本的、紧凑的、轻量级的和可现场部署的纠缠量子源。它们是实验室外实际应用的关键，如在量子处理器和量子卫星通信系统。
“我们的突破使我们能够将源的尺寸缩小1000倍以上，从而实现了可重复性、长时间的稳定性、规模化以及潜在的大规模生产。”汉诺威莱布尼兹大学光子学研究所所长、汉诺威莱布尼兹大学卓越集群PhoenixD董事会成员Michael Kues教授说：“所有这些特性都是现实世界的应用所需要的，比如量子处理器。”
“现在，我们可以将激光器与芯片上的其他部件整合在一起，这样整个量子源就比一个一欧元的硬币还要小。我们的微小装置可以被认为是在芯片上用光子实现量子优势的一个步骤。”研究员Raktim Haldar博士说：“与目前在低温系统中使用超冷量子比特的谷歌公司不同，即使在室温下，也可以用芯片上的这种光子系统实现量子优势。”
科学家们还期望他们的发现能够帮助降低应用的生产成本。Kues说：“我们可以想象，我们的量子光源将很快成为可编程光子量子处理器的一个基本组成部分。”
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-04-quantum-source-fully-on-chip-scalability.html[2]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01193-1[3]https://spectrum.ieee.org/quantum-entanglement
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