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量子技術再獲突破
利用整合糾纏光源擴展量子計算，克服了量子光子系統的傳統限制。
近日，漢諾威萊布尼茨大學、特溫特大學和初創公司 QuiX Quantum 的國際研究團隊展示了晶片上完全整合的糾纏量子光源。這一突破標誌著量子技術可擴展性邁出了重要一步，使量子光源能夠整合到穩定、小型的裝置中。該科學研究已發表在《自然光子學》上。
片上量子光源由三個主要元件組成：產生糾纏光子對的非線性介質、雷射器和保證一定頻帶內雷射穩定性的濾波器。
上述團隊使用這種佈局製作了一個量子光源，該光源具有一個雷射腔、一個使用 Vernier 效應的高效 (>55 dB) 可調噪聲抑制濾波器和一個非線性微環介質，用於在電信頻寬（頻寬約為 1 THz）的四種諧振模式下自然混合光子對。該光源可以以驚人的 ~620 Hz 速率檢測光子對，並且具有 ~80 的高巧合/意外比率。
一種新穎的混合技術將磷化銦雷射器與氮化硅濾波器結合在單個晶片上，使光源尺寸縮小成為可能。該技術適用於量子計算和量子網路，因為它可以將光源尺寸縮小 1,000 多倍。研究人員聲稱，直到最近，量子光源仍需要外部和大型雷射系統，這阻礙了它們在該領域的應用。儘管存在這些障礙，但他們還是通過一種新的晶片架構和各種連接平台克服了這些障礙。
可見度高達 96%的量子干涉測量和狀態層析成像的密度矩陣重建均證實源直接生成具有高頻密度的糾纏量子態（量子位元）。這可使保真度高達 99%。
光子量子位元：優勢與挑戰
疊加、糾纏和干涉是與量子計算直接相關的量子理論的基本思想。疊加是指一個粒子能夠同時存在於幾種狀態中；糾纏是指粒子即使在物理距離上也可能相互關聯的現象；干涉是指粒子可以相互增強或抵消的現象。
量子光源產生量子電腦和量子網路的基本元件，即量子位元。光子量子位元相對於其他形式的量子位元（包括基於超導裝置或捕獲原子的量子位元）具有多種優勢。例如，光子量子位元不易受到環境噪聲的影響（環境噪聲可能會破壞脆弱的量子系統），並且不需要冷卻到低溫。
但光子量子位元更容易洩漏，因此更難糾纏——這是同時涉及多個量子位元的計算的必要步驟。改進基於光的量子電腦需要光子整合——即將光子限制在蝕刻在電路上的微米寬波導中傳播。
量子技術
開發能夠大規模生產的全整合量子處理器是量子電腦建構中最棘手的障礙之一。捕獲離子量子位元通常由單獨的雷射束控制，需要精確對準，但當量子位元數量增加時，這種方法就變得不切實際了。
通過啟用數十甚至數百萬個量子位元，未來的量子裝置將尋求降低量子電腦的複雜性，從而提高可擴展性。離子阱量子電腦通過庫侖相互作用，使用單個原子作為量子位元，電離後帶正電荷。電磁場將這些原子排列成晶格圖案，而雷射則產生改變電子狀態的量子門。
將這些量子位元的晶片級控制結合起來是最大的困難。雖然它們是常規工具，但雷射可能會造成錯誤，而且很難結合起來。
設計
該設計解決了量子光子學中的許多重要問題。光源是混合整合 III-V 反射半導體光放大器 (RSOA)，帶有基於氮化硅 (Si3N4) 的反饋電路。由 Fraunhofer HHI 製造的 700 米長的量子阱放大器可產生約 1,550 nm 的增益。使用 III-V 波導和 Si3N4 波導之間的粘合劑粘合，光學系統擁有完美的對準度。為了獲得更好的性能，傾斜面和防反射塗層可減少背向反射。
波導反饋電路的整合減少了固有雷射線寬並消除了噪聲，從而提高了糾纏光子的穩定性和質量。此外，Si3N4 的低損耗和強非線性折射率有助於實現高功率操作和有效的光子產生。為了確保量子應用的最佳性能，該裝置還包括微環諧振器 (MRR)，以改善訊號傳輸和光子對生成。
Si3N4 反饋電路包括多個微環諧振器 (MRR)，其設計基於游標效應。MRR 的尺寸精確，可確保有效濾波和單模雷射操作；選擇環是為了減少損耗並保持較低的彎曲半徑。電路中還包括電阻加熱器以進行熱調諧，因此可以精確控制反饋機制。
高反射塗層和薩格納克環路與用於平衡反饋的馬赫-曾德爾干涉儀 (MZI) 相結合，構成了雷射腔的鏡子。模式匹配經過最佳化，可最大程度地減少增益晶片、反饋晶片和光纖之間的損耗，通過連接到保偏光纖的提取連接埠確保最佳效率。Vernier 濾波實現了高邊模抑制比 (SMSR)，顯著降低了放大自發輻射 (ASE) 噪聲，從而增強了混合量子源的噪聲抑制能力。
該設計最獨特的特點之一是訊號光子和閒置光子對的差分提取效率，這些光子和閒置光子對是通過 MRR 中的自發四波混頻 (SFWM) 產生的。該設計保證了非經典光子對的幾乎 100% 提取率，同時最大限度地減少了輸出端的泵浦光子的存在，從而提高了量子用途的總體訊號質量。
微環設計和 Q 因子調節對於系統性能非常重要，因為它們平衡了相干長度、光子對產生速率和系統穩定性。該系統是量子通訊和計算應用的完美選擇，因為仔細調節耦合係數和熱效應可實現高相干時間和最小損耗。
這種完全整合的方法可以實現少量且可重複的糾纏光子供應，可用於實際用途，標誌著朝著可擴展量子技術邁出了重要一步。作為下一代量子通訊和計算系統的有力競爭者，光子對生成率和巧合與意外比率 (CAR) 可與其他平台相媲美。
這一發現克服了量子光子系統的傳統限制，為更易獲得、更強大的量子器件開闢了道路，從而推動了量子資訊處理科學的發展。 (半導體材料與工藝裝置)