来自布里斯托大学和丹麦技术大学的科学家们发现了一种有前途的新方法,可以构建下一代结合光和硅微芯片的量子模拟器。

在开发能够竞争并克服传统超级计算机解决特定问题的量子机器的路线图中,科学界面临着两个主要的技术挑战。

第一个是能够构建能够大规模处理信息的大量子电路的能力,第二个是能够创建大量单量子粒子,能够通过这些电路编码和传播量子信息。

为了开发能够克服经典机器的先进量子技术,需要满足这两个要求。

解决这些挑战的一个非常有前景的平台是硅量子光子学。在该技术中,由光子,单个粒子的光携带的信息在硅微芯片中生成和处理。

这些器件使用集成波导(纳米级光纤的模拟)引导和操纵纳米级光。

至关重要的是,光子芯片的制造需要用于制造半导体工业中的电子微芯片的相同技术,使得量子电路的制造成为可能。

在布里斯托尔大学的量子工程技术(QET)实验室,该团队最近展示了嵌入量子干涉仪的硅光子芯片,该光子芯片由近千个光学元件组成,比几年前的几个数量级高。

然而,仍未解决的一个重要问题是,这些设备是否能够产生足够大量的光子以执行有用的量子计算任务。今天发表在“ 自然 - 物理学 ”杂志上的布里斯托尔研究表明,这个问题有一个积极的答案。

通过探索硅量子光子学的最新技术发展,该团队已经证明,即使是小规模的硅光子电路也可以产生和处理集成光子学中前所未有的许多光子。

实际上,由于光子损耗等电路中的缺陷,以前在集成光子学中的演示主要局限于仅在片上产生和处理的两个光子的实验,并且仅在去年,使用复杂电路报告了四光子实验。 。

在工作中,通过改进每个集成组件的设计,该团队表明,即使是简单的电路也可以产生多达8个光子的实验,是集成光子学中之前的两倍。此外,他们的分析表明,通过扩大电路复杂性,这是硅平台的强大功能,可以进行超过20个光子的实验,光子量子机器有望超越最好的经典超级计算机。

该研究还研究了这种近期光子量子处理器进入量子优势制度的可能应用。

特别地,通过重新配置芯片中的光学非线性类型,他们证明了硅芯片可用于执行各种量子模拟任务,称为玻色子采样问题。

对于其中一些协议,例如Gaussian Boson Sampling,这个新的演示是世界首创的。

该团队还证明,使用这样的协议,硅量子器件将能够解决工业相关的问题。特别是,他们展示了如何使用高斯玻色子采样在我们的设备类型上模拟发现经历电子变换的分子中的振动跃迁的化学问题。

第一作者,布里斯托尔大学纳米科学与量子信息中心的Stefano Paesani博士说:“我们的研究结果表明,超越经典超级计算机的光子量子模拟器对硅量子光子学平台来说是一个现实的近期前景。

“这种量子机器的发展可能对工业相关领域产生潜在的突破性影响,如化学,分子设计,人工智能和大数据分析。

“应用包括更好的药剂学设计和能够更有效地产生能量的分子状态工程。”

共同作者Raffaele Santagati博士补充说:“所获得的结果使我们相信,量子机器的里程碑比任何现有的经典计算机都快于集成量子光子学平台。

“虽然其他技术也有能力达到这种状态,例如陷阱离子或超导系统,但光子学方法具有我们研究的近期应用的独特优势。光子路径虽然危险,但是设置,非常值得追求。“

布里斯托尔物理学副教授Anthony Laing教授对该项目进行了监督。他说:“在同一芯片中生成和处理的光子数量翻了四倍,该团队已经设定了将量子模拟器扩展到数十个光子的场景,其中与当今标准计算硬件的性能比较变得有意义。”