中外科研人员合作开发出一款光量子硅基芯片

图片来源：强晓刚/布里斯托大学

通过允许将数十亿个晶体管封装在单个芯片上，硅为我们拥有今天的计算机做出了举足轻重的贡献。而且，将来还会出现基于它的更强大的计算机。

最近，一个由中国、英国和澳大利亚的研究人员组成的合作研究团队研发出了一种可对单光子进行操纵以制造光量子处理器的硅芯片。“我们制造了一种光量子处理器，它可以创建和操纵使用光子编码的两个量子比特，可用于通用的双量子比特量子计算。” 位于长沙的国防科技大学的助理研究员强晓刚说。他是发表在9月期的《自然·光子学》（Nature Photonics）上的论文“Large-scale silicon quantum photonics implementing arbitrary two-qubit processing”的第一作者，这篇论文介绍了这个团队的研究成果。

量子计算建立在量子力学不可思议的规则基础上，这使得它有可能执行传统计算机设计永远无法实现的计算，例如快速破解加密代码或模拟大爆炸。量子计算机基于量子比特，后者类似于传统计算中的比特。但与我们熟悉的传统计算机的1和0不同的是，量子比特可以叠加，同时保持多个状态，从而扩大了其计算能力。它们也可以纠缠在一起，因此测量一个量子比特可以提供有关另一个量子比特状态的信息。

IBM和Google等公司都在努力开发具有足够多相连在一起的量子比特的设备来执行强大的计算。但到目前为止，它们只实现了将几十个量子比特相连接。最有竞争力的量子比特是超导量子比特，采用激光捕获离子和原子并将它们冷却到冷却到接近绝对零度。超导量子比特的问题在于，随着系统中量子比特数的增加，它们与外部世界交互的可能性越大，它们就越有可能失去量子态（即相干态），并变得无用。

但光子不会有这个问题，强晓刚说。“光子不会与环境相互作用，因此我们不会遭遇相干态时间短的问题。”他说，光子也可以被超高精度操纵。当然，它们是以光速传播的。最重要的是，光子芯片可以利用计算机行业已经建立的整个基于硅的基础设施。

这种芯片由很多个干涉仪组成，这些干涉仪将光子分成不同的空间模式。每个模式都穿过一个特定的 波导，这样使一个光子在一个波导中代表a 1，而在另一个波导中它代表a 0。知道一个光子走的是哪条路径，就可以知道它的纠缠伙伴走的是哪个路径。

光子使用由电压控制的热光移相器进行编码。强晓刚说：“移相器的不同设置控制着光子在干涉仪中的传播行为，使不同的量子比特状态编码和不同的量子操作成为可能。”

为了将该系统扩展成真正有用的东西，研究人员需要找到某种办法，在芯片上产生更多相同的纠缠光子。在芯片上安装足够多的移相器、分束器和其他光学元件来处理所有这些光子，也是一项工程挑战。但强晓刚表示，硅光子学已经显示出了将许多元件塞进狭小空间并使它们全部以高精度工作的能力，“因此，它实际上是实现最终的大规模光量子处理器的可行方法。”