新型激光元件可将量子计算机规模缩小到芯片级

目前尖端的量子计算技术，由于光学组件庞大、环境要求苛刻，导致系统体积庞大，难以实现规模化和便携化，面临严峻挑战。为此，来自马萨诸塞大学阿默斯特分校（UMass Amherst）和加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的科学家们，成功演示了大幅缩小量子计算机体积所必需的关键激光与离子阱组件。这一成果与20世纪70~90年代集成微处理器的尺寸缩小进程相呼应，正是当年的技术集成让计算机从占据整个房间的庞然大物演变成了如今纤薄的智能手机。

在现有的量子系统中，体积最大、最敏感的组件是光学器件，其中包括多台激光器，以及包含超稳定光学腔并具备隔振和温控功能的真空室。这些光学腔能够以极高的精度稳定激光，从而控制用于量子计算和光钟的囚禁离子。该研究对于打破量子系统的扩展性瓶颈具有重要意义，相关研究成果发表于Nature Communications 。

在研究中，研究人员展示了构建集成量子计算片上系统所需的关键性稳定激光组件。该系统有望将量子计算的部分硬件从房间般大小缩小到扑克牌大小的芯片尺寸。这是迈向量子计算可扩展性的关键一步，同时也为基于相同离子阱技术的光钟实现便携化提供了契机。

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Robert Niffenegger（左）与研究生研究助理Christopher Caron在实验室

图源：Derick Zellman

电子与计算机工程系助理教授Robert Niffenegger 表示：“如果让量子技术具备可扩展性或便携性，就必须把激光系统也集成到芯片上。这样一来，我们可以在单块芯片上放置数百万个量子比特，而如果还要依赖满屋子的激光器和光学器件，这是不可能的。如果想达到那样的规模，就必须借鉴传统计算机通过集成化实现扩展的路径。这正是我们正在追求的目标。”

在量子计算机中，这些囚禁离子系统充当“量子比特”。它们的功能类似于传统计算中存储和处理数据的比特，但遵循的是量子物理规则，而非简单的二进制0和1。光钟则通过计数可见光的振荡来计时，并利用囚禁离子的原子跃迁来校准频率，从而为各种应用提供前所未有的精度——例如以厘米级精度绘制地球重力场，以及增强深空导航和GPS系统。

通过与加州大学圣巴巴拉分校Daniel Blumenthal 教授领导的团队合作，该研究组首次证明，这些大型精密激光器可以用小型光子芯片来替代。他们展示了这种新型光子技术能够用于控制囚禁离子，从而实现量子比特和时钟操作。

研究人员测试了该设计在执行关键量子操作（包括量子比特的量子态准备）时的表现。结果显示，该系统已经能够实现量子计算所需的高保真量子态准备与测量，而进一步的改进将使其有望应用于量子传感领域。

马萨诸塞大学室温离子阱系统

图源：Derrick Zellmann

Niffenegger 补充道：“虽然我们目前尚未达到顶尖光钟的性能，但第一次尝试就取得了相当不错的进展，之后又有了更多突破。”他表示，从长远来看，这项设计是构建功能性大规模量子计算机的关键一步。这类计算机能够解决当今超级计算机无能为力的复杂问题，例如破解保护全球大部分敏感数据的加密算法。许多专家估计，这样的应用可能需要数百万个量子比特。

Niffenegger 进一步指出：“要打造出真正有用、超越传统超级计算机能力的设备，必须依靠集成的片上量子系统。不能指望用占满整个足球场的激光器和光学器件来工作——那根本行不通。集成，才是唯一可行的路径。”

Niffenegger 认为，在短期内，这项新技术为推进光钟的便携化提供了契机。通过将激光器和光学腔集成到光子芯片上，光钟可以变得更紧凑、更稳定，从而能够进入以往无法到达的地方，比如外太空。

Niffenegger 说：“这确实是将精密光钟送入太空的唯一途径，也将为检验基础物理学开辟新的可能。”他设想，让光钟沿椭圆轨道绕太阳运行，观察在不同距离上是否存在变化，从而检验自然界的各种基本常数。并补充道：“目前，我们的系统体积更小，对振动也更具鲁棒性，已经是目前太空中性能最佳的光钟。”

在微小芯片领域，攻克集成化稳定性的难题在于——如何在不使用传统光学腔的大型隔离系统的情况下，保持激光的稳定性。Niffenegger 说：“我们没有那么奢侈的条件使用这种芯片，，这是设计使然。如果我们称其为便携式、集成化的解决方案，它就必须坚固耐用。它虽然仍需温控，但无需在真空环境。” 为此，研究人员开发了一种主动补偿漂移的方法，将校准与实验过程交织在一起。此外，他表示，这感觉像是在驯服一头公牛：时钟一直在跑偏，而你正试图用一个极其精确的原子钟去捕捉它，不仅要捕捉到，还要在它跑远时保持锁定。

研究团队的下一个目标是实现完全集成，即将离子阱芯片、激光芯片、光学腔芯片以及其他光子组件整合到单一芯片上。Niffenegger 表示：“既然我们已经证明了利用集成光子学进行精密量子操作是可能的，下一步就是将所有组件整合到一个统一的片上量子系统中。”

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科学编辑 | 佚名

发布于：上海市