量子運算+集成電路 芯片尺寸未來無限小

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     日本東京大學光學系統研究科物理工學專業教授古澤明領導的研究小組宣布，成功將在采用光的“量子隱形傳態（Quantum teleportation）”中起重要作用的光學回路集成到了矽芯片上。可以說這向實現量子門方式的量子計算機邁出了一大步。

量子運算+集成電路 芯片尺寸未來無限小

　　量子隱形傳態是利用量子糾纏狀態遙傳多種量子態中的一種狀態的方法。由于看上去像量子態瞬間移動，因此被叫做隱形傳態。

　　古澤的研究小組正在研究將這種量子隱形傳態應用于量子計算機的基本元件。具體是將量子隱形傳態的原理用作對任意量子態進行運算操作的機理，而非遙傳量子態的機理。這種機理被叫做“量子門隱形傳態”或“量子運算放大器”。

　　以前，古澤的研究小組采用激光、透鏡及反射鏡等500多個光學元件構成了量子隱形傳態光學回路。該光學回路占地面積達到約4.2m×約1.5m（約6.3m2）。

　　


　　此次，研究小組將這個大約6.3m2的光學回路中用于生成和檢測量子糾纏的幹擾儀部分（約1m2）集成到了26mm×4mm的矽芯片上。是采用NTT 的 PLC（planar lightwave circuit）技術進行集成的。基板爲矽基板，光波導由SiO2構成。激光采用的是矽受光器能以高靈敏度捕獲的波長爲860nm的光。

　　古澤指出“原來的幹擾儀采用了接近100個光學元件”。集成以後，變成了僅由4～5個馬赫-曾德爾（MZ）幹擾儀構成的IC。集成前的幹擾儀之所以采 用接近100個光學元件，是因爲向希望的方向彎曲激光及微妙改變光程等光操作需要很多反射鏡。在PLC技術中，彎曲光是通過彎曲光波導來實現的，因此不需 要反射鏡等，結構變得非常簡單。

　　采用PLC的MZ幹擾儀並不是新技術。該技術已被長距離通信使用的光開關等領域采用。甚至還有在芯片上集成數千個MZ幹擾儀的情況。所以說此次具有劃 時代的意義，是因爲原來量子糾纏生成和檢測只能利用由光學元件構成的系統來實現，而現在即使將相關功能集成到IC中也可實現。“不嘗試不知道激光的相幹性 等通過PLC的波導及MZ幹擾儀以後能否保留”（古澤）。

　　過去，其他研究小組也幾次嘗試過集成。但都不是很成功。“這次采用可謂全球最高水平的NTT的PLC技術，首次觀測到了量子糾纏”（古澤）。


　　將成爲量子門方式量子計算機的有力技術

　　此次IC化的成功有可能使將光作爲量子位使用的量子門方式的量子計算機比采用其他物理量子位的系統更早實現。

　　業內早就發現，光作爲量子計算機的量子位比其他物理元件穩定得多。“其他物理元件的能量非常小，與環境溫度的差距不大，因此非常容易受環境噪聲影響。因此，需要在極低溫下冷卻。而光能比環境溫度高很多，在室溫下也基本不受環境噪聲影響”（古澤）。

　　唯一的也是最大的缺點就是光學回路難以集成。此次證實光學回路能夠集成到IC中，這爲實現量子計算機掃除了一大障礙。

　　剩下的課題就是通過降低光損耗來提高作爲量子位的品質。實際上，目前觀測到的量子糾纏狀態離理想狀態還很遙遠。因爲“光子隨著光纖中的損耗及光纖與芯 片間的耦合損耗而丟失，最後只剩下50％左右”（古澤）。估計通過盡可能將光纖部分換成PLC的光波導等，有望大幅改善。古澤指出“如果能將（整個量子運 算放大器）的損耗降至50％以下，從原理上講，量子糾錯技術就能實現，就能運行量子計算機”。