一种用于量子技能的新型芯片_量子_光子

团队硅光子芯片中电掌握耦合腔阵列的光学图像。
该图像描述了耦合腔阵列的布线构造和光学显微照片。
该视觉效果由Abhi Saxena供应，是利用光学显微镜图像作为输入的边缘检测输出。
来源：华盛顿大学

本日，我们生活在开拓量子打算机的竞赛中，量子打算机可用于实际运用。
该设备建立在量子力学事理之上，具有实行打算任务的潜力，远远超出了当今最快的超级打算机的能力。
量子打算机和其他量子技能可以在网络安全和分子仿照等领域促进重大进步，影响乃至彻底改变在线安全、药物创造和材料制造等领域。

这场技能竞赛的一个分支是构建在科学和工程界被称为“量子仿照器”的东西 - 一种分外类型的量子打算机，旨在办理超出标准打算机打算能力的特定目的的一个方程模型。
例如，在医学研究中，理论上可以构建量子仿照器，以帮助科学家仿照特定的繁芜分子相互浸染以进行更仔细的研究，加深科学理解并加快药物开拓。

但就像构建实用、可用的量子打算机一样，构建一个有用的量子仿照器已被证明是一项艰巨的寻衅。
这个想法最初是由数学家尤里·马宁（Yuri Manin）在1980年提出的。
从那时起，研究职员一贯试取利用俘获离子，冷原子和超导量子位来构建能够实际运用的量子仿照器，但迄今为止，这些方法仍在进行中。

超导系统设计和制造的最新进展导致了原型量子仿照器的几个成功实现，这些仿照器展示了小规模的量子系统。
然而，将这些系统扩大到可用尺寸存在寻衅，并且在考试测验利用超导系统仿照实际量子材料时存在操作困难。

现在，由华盛顿大学物理学、电气和打算机工程副教授Arka Majumdar领导的华盛顿大学研究小组已经将这项事情向前迈出了主要的一步。
该团队在Nature Communications上证明，一种新型硅光子芯片可以作为构建量子仿照器的坚实根本，该仿照器在现实天下中具有有用的运用。

Majumdar是光学，光子学和量子技能开拓方面的专家。
在华盛顿大学，除了传授教化和研究职责外，他还是QuantumX的联合主席和纳米工程系统研究所的成员。

“我们已经证明光子学是量子仿照的紧张竞争者，光子芯片是现实，”Majumdar说。
“我们相信这些芯片可以在构建量子仿照器方面发挥非常主要的浸染。

“这是一个非常好的平台，可以实现一个有用的量子仿照器，可以扩展到大尺寸，”该论文的第一作者，最近的UW ECE校友Abhi Saxena补充道。
Saxena 于 2023 年毕业，得到博士学位，现在在科罗拉多州博尔德的国家标准与技能研究所 （NIST） 事情。

研究团队的其他成员包括物理系的博士生Arnab Manna和UW ECE助理教授Rahul Trivedi，他是一名量子系统专家，他帮忙该小组进行研究的理论方面。

光子学是光学（研究光的行为和特性）的一个分支，它运用光的产生、检测和操纵来实现广泛的技能，例如激光、光纤和发光二极管 （LED）。
与其他构建量子仿照器平台的方法比较，光子学的一个关键上风是光子器件可以在CMOS代工厂制造，CMOS代工厂几十年来一贯用于生产半导体芯片。

“我们对这种芯片的制造工艺可以直接锁定我们已经成熟的硅制造，就像我们为晶体管和其他打算机芯片所做的那样，”Saxena说。
“而对付其他量子仿照器平台来说，这是不可行的，只管个中许多已经展示了原型设备。

举个例子，研究小组在华盛顿大学校园的华盛顿纳米制造举动步伐创建了他们的硅光子芯片。
他们的制造方法将有助于降落构建量子仿照器的生产本钱，大概更主要的是，可以将芯片扩展到足以使其可用于各种量子仿照设备。

该团队设计的芯片的核心是“光子耦合腔阵列”。
该阵列是由八个光子谐振器组成的伪原子晶格。
这是一个光子可以被限定、升高和降落能量的地方，并以受控的办法四处移动，基本上形成电路。

团队与阵列干系的主要技能创新包括创建一种数学算法，许可他们仅利用芯片边界上的可用信息来绘制或详细表征芯片，以及设计一种用于加热和独立掌握阵列中每个腔体的新型架构，这让团队可以对设备进行编程。
根据Majumdar和Saxena的说法，硅光子芯片上的这两项创新以前从未完成过。

“我们正在芯片上展示统统，我们已经展示了可扩展性，可丈量性和可编程性 - 办理了利用硅光子芯片作为量子仿照器平台的四个紧张障碍中的三个，”Majumdar说。
“我们的办理方案体积小，不易错位，我们可以对其进行编程。
”

展望未来，研究小组试图办理他们认为构建完备实现的量子仿照器的第四个也是末了一个紧张障碍，从而创造一种称为“非线性”的条件。
与电子电路中常见的电子不同，电子因其负电荷而相互排斥，光子实质上不会相互浸染。
量子仿照器中须要等效的相互浸染来产生非线性并完成电路。
该团队目前正在探索几种不同的方法来办理这个问题。

研究团队的议程还包括微调他们的硅光子芯片，针对标准芯片代工厂进行优化，以便芯片可以在世界各地的半导系统编制造厂制造。
Majumdar和Saxena都表示，相对而言，这方面的开拓将是一个更随意马虎的障碍，他们对芯片将产生的影响表示乐不雅观。

“通过这项事情，我们为一个平台奠定了坚实的根本，该平台展示了光子学和基于半导体的技能，我们正在用作创建量子仿照器的可行替代方案，”Saxena说。
“我认为，到目前为止，科学和工程界的许多人常日都避免为此目的考虑光子学。
但我们的事情表明，这在现实中是可能的，以是这是一个很好的勉励，让更多的人开始朝着这个方向提高。

更多信息：Abhi Saxena 等人，利用站点掌握耦合腔阵列实现紧密结合的哈密顿量，自然通讯 （2023）。
DOI： 10.1038/s41467-023-41034-x

期刊信息：自然通讯