光量子计算芯片取得重大突破，加速从大型光学到集成光学的转变

光子盒研究院出品

目前最先进的超导和离子阱量子处理器都是以芯片形式呈现的，但在光量子计算领域，集成设备与大型设备的性能差距还很大，例如九章1.0和九章2.0均为大型光学平台，分别具备100模式和144模式(探测光子数量分别为76个和113个)，而作为光量子芯片的代表，初创公司Xanadu(8/12/24模式)和Quix(12模式)实现的模式数要小得多。

最近，华人科学家Xu Yi领导的研究团队实现了光量子计算芯片的重大突破，在一个硬币大小的芯片上实现了40量子模式(qumode)，这是集成光学平台上实现的最大模式数。相关研究成果已经发表在《自然·通讯》杂志。

Xu Yi是美国弗吉尼亚大学电气和计算机工程系的助理教授，2012年获得北京大学物理学学士学位，曾在肖云峰教授的微腔光子学和量子光学研究组作为本科生研究助理，2017年获得加州理工学院应用物理学博士学位。他的研究集中在光子谐振器和光学频率梳的物理和应用上。

Xu Yi

基于光学微谐振器的频率梳(简称microcomb或微梳)为非线性物理研究提供了一个多用途的平台，具有从计量学到光谱学的广泛应用。光学微谐振器利用克尔非线性通过腔谐振模式之间的四波混频提供宽带参数增益，其中泵浦光子对可以被湮灭，从而在较低和较高频率下产生信号光子和闲置光子。

最近，人们研究了微梳在确定性量子体系中的应用，因为它能够从单个微谐振器提供数百个频率复用的量子通道。由于微梳的自由光谱区(FSR)较大——从几GHz到1 THz——通过现有的波分复用滤波器可以访问单个量子通道。与集成光子电路结合，量子微梳有可能彻底改变光子量子信息处理。

到目前为止，量子微梳的实验都是概率性的，在这种系统中，通过后选择、符合探测来测量随机发射光子对之间的纠缠。光子符合率随着量子态中光子数的增加而呈指数下降。建立在概率量子态上的量子架构如果没有量子存储器，是不可扩展的。但是在确定性体系下，不同频率模式之间的纠缠可以被确定性地产生和探测，这将是光子芯片向可扩展量子架构迈出的重要一步。

构建确定性量子微梳的一种方法是利用双模式(two-mode)压缩，在光频梳的光场之间产生无条件纠缠。压缩光具有低于真空场的量子不确定性，在科学技术中有着广泛的应用，例如提高LIGO引力波探测灵敏度、高斯玻色取样、基于连续变量(CV)的量子计算。

双模式压缩产生的无条件纠缠位于连续光场之间，可作为量子模式通过基于连续变量的方法编码量子信息，应用于通用量子计算、无条件量子隐形传态、量子密集编码、量子秘密共享和量子密钥分发。

与概率光子量子比特方法不同，CV方法中的无条件纠缠使得量子态中纠缠量子模式的数量能够通过频率、时间或空间复用确定性地按比例增加，这为连续变量量子计算提供了可扩展的物理平台。

压缩通常是通过光学参量振荡器(OPO)或原子蒸气等大型光学系统中的非线性光学产生的。压缩量子微梳与集成光子电路、高斯和非高斯测量相结合，可作为CV通用量子计算、纠缠辅助光谱学和分布式量子传感网络的简单而紧凑的构件。

虽然最近已经在小型化平台中显示了一个或两个压缩频率量子模式的生成和探测，以及8个空间量子模式的生成，但是压缩微梳还没有报道。

在这项工作中，Xu Yi领导的团队演示了硅芯片上的二氧化硅微谐振器中的确定性双模式压缩量子频率梳。该微谐振器直径为3 mm，自由光谱区(FSR)为22 GHz。克尔参量过程在微谐振器中量子模式对的光学正交场之间产生无条件的EPR纠缠，即双模式压缩。

芯片上确定性双模式压缩量子微梳的产生。a.连续波泵浦激光器耦合到微谐振器，微谐振器具有数千个纵向谐振模式，其频率由谐振器FSR分隔，如(b)所示。c.微谐振器中的χ(3)克尔非线性产生宽带参数增益，因为泵浦光子对(绿色)可以在较低和较高频率模式下转换为信号光子和闲置光子。这种非经典关联产生了双模式真空压缩，从而产生了频率模式n和-n之间的光学正交场的无条件EPR纠缠，这两个频率模式在(b)中由光谱中的黑色虚线连接。图中还显示了这项工作中使用的硅芯片上的二氧化硅微型谐振器的图像。d.双模式压缩波函数在位置(左)和动量(右)基础上的概念性图解，其中，(x^n-x^−n)和(p^n + p^−n)的不确定性水平低于真空涨落(虚线圆)。

在电信波长下，以20个双模式压缩梳对的形式测量40个频率复用的量子模式。通过平衡零差探测测量噪声方差来验证双模式压缩。获得了1.6 dB的最大原始压缩和6.5 dB的最大反压缩。在校正系统损耗后，可以推断出输出波导处相应的3.1 dB压缩。

来自微谐振器的20个梳对(40个量子模式)的双模式压缩测量。a.简化的实验示意图。连续波(cw)激光器被分离以泵浦谐振器并驱动本地振荡器(LO)。损耗来自电光调制(EOM)频率梳，梳间距(调制频率)为fm。逐行波形整形器(WS)用于选择一对梳线作为双色本地振荡器。LO的相位由相位调制器(PM)调谐。LO和压缩微梳通过50/50耦合器组合，并在平衡光电二极管(PD)上检测。噪声水平在电子频谱分析仪(ESA)上进行表征。在压缩微梳路径中，使用光纤Bragg光栅(FBG)滤波器来阻挡强泵浦光。图中还显示了掺铒光纤放大器(EDFA)和光学带通滤波器(BPF)。b.量子模式4和-4(用红色箭头表示)的代表性正交噪声方差(蓝色)相对于散粒噪声(红色)的时间函数。下面显示了应用于相位调制器的斜坡波形，该波形使LO的相位随时间周期性地斜坡变化。直接观察到1.6dB的压缩和5.5dB的反压缩。黑色虚线表示低于散粒噪声水平2 dB。c.所有40个量子模式的正交噪声方差(蓝色)相对于散粒噪声(红色) 的时间函数。测量的模式由红色箭头标记。散粒噪声限值以下的区域用橙色表示，黑色虚线表示低于散粒噪声水平1 dB。d.量子相关性检测：噪声方差显示量子模式(−9, 6)和(−21, 18)的不相关梳状对之间没有量子相关性。

下图总结了所有40个模式的原始压缩和反压缩水平。实验中的原始压缩主要受限于83%的腔逃逸效率、1.7 dB的光损耗和约89%的光电二极管量子效率。在锥形光纤之后的总效率为60%。

1.6±0.2dB原始压缩是小型化克尔OPO测量到的最高原始压缩之一，而有史以来获得的最高压缩为大型OPO中的15 dB。6dB单模式压缩在集成波导中已有报道，这表明大的压缩在集成光子平台中是可能的。最近的理论研究表明，当压缩达到10 dB时，量子纠错和容错量子计算在基于光子CV的方法中是可能的。

压缩(蓝色)和反压缩(红色)能级与模式数的关系。散粒噪声水平以下的区域用橙色表示。应注意的是，量子模式N或-N的噪声水平代表梳对(-N, N)的双模式噪声水平。在t分布下，误差线的置信区间为95%。

研究团队开发了一种量子模式光谱测量方法来表征量子模式的频率，在1 THz光学跨度中具有5 MHz的分辨率。在CV量子信息处理中，由于简单的激光频率梳可以作为所有量子模式的本地振荡器(LO)，因此量子模式的频率等距可以简化零差探测。

 压缩量子微梳中量子模式的光谱学特征

在本次实验中，可用量子模式的数量受到LO的1 THz光学跨度的限制。量子微梳的光学跨度最终将受到微谐振器色散的限制，而微谐振器色散决定了克尔参量增益的带宽。

通过色散工程，在微谐振器中已经报道了距泵浦频率约80 THz的克尔参量边带，这表明在单个微谐振器中产生数百或数千个量子模式的可能性。确定性量子频率梳的小型化为大规模生产提供了一条途径，这对于量子计算、量子计量和量子传感应用至关重要。

总之，Xu Yi的团队已经在硅芯片上的二氧化硅微谐振器中演示了确定性双模式压缩量子微梳。压缩微梳的产生不局限于克尔微谐振器，也可以在基于微谐振器的χ(2)参量振荡器中实现。

对于该系统，未来可以通过降低系统损耗、提高光电二极管量子效率和实现更高的谐振器-波导逃逸效率来改善原始压缩。

通过多路复用，Xu Yi的团队验证了从芯片上的单个微谐振器产生40个量子模式，证明了量子模式的多路复用可以在集成光子平台中工作。“我们估计，通过对系统进行优化，我们可以从单个设备生成数千个模式，”Yi说。

Yi的多路复用技术为现实世界条件下的量子计算开辟了一条道路，在现实世界中，错误是不可避免的。即使在经典计算机中也是如此。但是量子态比经典态脆弱得多。

纠正错误所需的量子比特数量可能超过一百万，设备数量也会相应增加。多路复用将所需的设备数量减少了两到三个数量级。

Yi基于光子学的系统在量子计算探索中提供了两个额外的优势。使用超导电子电路的量子计算平台需要冷却到低温。因为光子没有质量，所以带有光子集成芯片的量子计算机可以在室温下运行或睡眠。

此外，微型谐振器是利用标准光刻技术在硅片上制造的。这很重要，因为这意味着谐振器或量子源可以大规模生产。

Yi说:“我们很自豪推动量子计算的工程前沿，加速从大型光学向集成光子学的过渡。我们将继续探索在基于光子学的量子计算平台中集成器件和电路的方法，并优化其性能。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-021-25054-z

[2]https://engineering.virginia.edu/news/2021/08/uva-research-group-opens-path-toward-quantum-computing-real-world-conditions

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