科学家提出了一个可以连接多台量子计算机的网络

光子盒研究院出品

关于量子计算机的研究已经取得了很大进展，但还不可能将各个处理器连接起来。最近一个国际研究团队已经展示了一种使用纳米碳化硅结构来扩展量子计算机的方法，允许多个量子计算机在一个系统中协同工作。

研究结果已发表在《自然·材料》[1]杂志上。

研究人员正在调试设备

通往大型量子计算机的一条有希望的途径是协调多个任务优化的小型系统。光子干涉与片上器件的兼容，可在量子网络中的长距离传播，因此成为动态连接和纠缠任意两个系统的强有力方法。

但量子光子学商业化的主要障碍之一仍然是可扩展量子系统的纳米级制造和集成，因为它们对封闭环境中的最小干扰非常敏感。这使得开发既能用于量子计算，又能提供高效光学接口的系统成为一个巨大的挑战。

来自德国斯图加特大学、美国加州大学戴维斯分校、瑞典林科平大学和日本京都大学，以及德国弗劳恩霍夫研究所、亥姆霍兹中心和莱布尼茨研究所的研究人员合作克服了这一障碍。

研究人员采用了两步走的方法。首先，他们选择的量子系统是碳化硅(SiC)中所谓的硅-空位(VSi)色心，这种色心具有很强的自旋光学特性。然后，他们使用温和的处理方法在这些色心周围制造纳米光子波导，使主体材料基本上不受损坏。

该项目负责人、斯图加特大学助理教授Florian Kaiser说：“通过我们的方法，可以证明，在纳米光子集成之后，我们的色心仍保持了出色的自旋光学特性。得益于我们量子设备的鲁棒性，我们获得了足够的空间在多个核自旋量子比特上执行量子门。由于这些自旋有很长的相干时间，它们非常适合实现小型量子计算机。”

集成到纳米光子SiC波导中的VSi色心

加州大学戴维斯分校助理教授Marina Radulaski说：“在这个项目中，我们探索了光子器件独特的三角形形状。虽然这种几何结构具有商业吸引力，因为它可以提供可扩展生产所需的多功能性，但对于其在高性能量子硬件中的用途知之甚少。我们的研究表明，色心发出的光可以通过单一的光学模式有效传播，色心在整个芯片中携带量子信息。这是实现量子网络和计算全部功能所需的色心与其他光子器件(例如纳米腔、光纤和单光子探测器)集成可行性的一个关键结论。”

碳化硅三角形波导的制作和电子显微照片。这些设备显示了量子网络的有用特性。

碳化硅平台特别有趣的是它的CMOS兼容性以及它作为大功率半导体在电迁移中的大量应用。研究人员现在希望从这些方面获益，从而利用自旋光子芯片的可扩展生产。此外，他们希望实现半导体电路来电初始化和读出其自旋量子比特的量子态。

Kaiser补充道：“最大化电气控制——而不是通过激光进行传统光学控制——是实现系统简化的重要一步。高效纳米光子学与电气控制的结合使我们能够在一个芯片上可靠地集成更多量子系统，这将带来显著的性能提升。我们目前处在碳化硅色心量子技术的黎明。我们成功的纳米光子集成不仅将推动分布式量子计算的发展，而且还可以提高紧凑型量子传感器的性能。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41563-021-01148-3

[2]https://www.uni-stuttgart.de/en/university/news/all/Quantum-computers-getting-connected/

[3]https://engineering.ucdavis.edu/news/color-centers-quantum-networking-devices

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：