新型光子芯片能測量更多光量子態(tài)

車滿

自無線電報和真空管問世以來，電子計算和通信已獲得了長足進(jìn)步，現(xiàn)今消費(fèi)設(shè)備的處理能力和內(nèi)存等級是幾十年前無法想象的……

但伴隨著計算和信息處理設(shè)備體積越來越小、功能越來越強(qiáng)大，它們正在遭遇量子物理定律強(qiáng)加的一些基本限制，該領(lǐng)域的未來發(fā)展前景可能與光子學(xué)密切相關(guān)，光子學(xué)是與電子學(xué)平行的光學(xué)基礎(chǔ)概念，光子學(xué)在理論上與電子學(xué)相似，但使用光子代替電子，光子設(shè)備處理數(shù)據(jù)的速度可能比電子設(shè)備快很多，包括：量子計算機(jī)。

目前，光子學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究仍然非常活躍，但缺乏關(guān)鍵的設(shè)備進(jìn)行實際應(yīng)用，美國加州理工學(xué)院研發(fā)一種新型光子芯片可能代表該領(lǐng)域的一個重大突破，尤其是使光子量子信息處理器成為可能方面，它可以產(chǎn)生和測量光量子態(tài)，而該方法以前僅能采用笨重且昂貴的實驗室設(shè)備才能實現(xiàn)。

基于光子基本性質(zhì)，不同種類的光子是以其能量、動量和偏振等特征加以區(qū)分的，而這些不同的特征所決定的光子狀態(tài)叫光量子態(tài)。

這種新型光子芯片是基于鈮酸鋰材料制成，鈮酸鋰在光學(xué)領(lǐng)域具有廣泛用途，它在芯片一側(cè)產(chǎn)生所謂的光壓縮狀態(tài)，并在另一側(cè)進(jìn)行測量。光壓縮狀態(tài)，簡單地說就是在量子等級上降低“噪音”的光，據(jù)悉，直到近幾年光壓縮狀態(tài)技術(shù)才被用于增強(qiáng)激光干涉引力波天文臺（LIGO）的靈敏度勘測，LIGO天文臺是利用激光束探測引力波的探測設(shè)備，如果科學(xué)家使用基于光的量子設(shè)備處理數(shù)據(jù)，同樣地低噪音光狀態(tài)也是非常重要的。

加州理工學(xué)院電子工程和應(yīng)用物理學(xué)副教授阿爾雷扎·馬蘭迪說：“現(xiàn)在我們已實現(xiàn)了量子態(tài)質(zhì)量超過量子信息處理的需求，而量子信息處理可用于處理大型實驗裝置的科研領(lǐng)域，我們的研究工作標(biāo)志著集成光子電路產(chǎn)生和測量光量子態(tài)邁出了重要的一步。我們可以利用它突破很多傳統(tǒng)非線性光學(xué)研究的局限，甚至打破很多傳統(tǒng)假設(shè)。”

馬蘭迪指出，光子芯片技術(shù)顯示了一條通向以太赫茲時鐘速率運(yùn)行量子光學(xué)處理器的最終發(fā)展方向，相比之下，它比蘋果筆記本MacBook Pro的計算處理器快數(shù)千倍，該技術(shù)可能在未來5年內(nèi)在通信、傳感和量子計算方面投入實際應(yīng)用。

該研究報告合著作者、博士后學(xué)者拉杰維爾·奈爾拉說：“光學(xué)一直是實現(xiàn)量子計算最有前景的途徑之一，因為它在可擴(kuò)展性和室溫下超快邏輯操作方面具有一些固有優(yōu)勢，然而，可擴(kuò)展性應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)之一是納米光子學(xué)中生成和測量充足的量子態(tài)，我們的目標(biāo)就是如何解決這個挑戰(zhàn)問題。”