量子計算機新進展：量子光學芯片電路

　　無論是應(yīng)用在安全數(shù)據(jù)加密，海量數(shù)據(jù)的超高速計算或者所謂的高度復(fù)雜系統(tǒng)的量子模擬：光學量子計算機都是未來計算機技術(shù)的一個希望的源泉?，F(xiàn)在，據(jù)在《自然*光子學(Nature Photonics)》雜志上的報告，科學家們第一次成功地將一個完整的量子光學結(jié)構(gòu)放在一個芯片上。這滿足了在光學量子計算機中使用光子電路的一個條件。

　　圖為碳管(中心)作為光子源，超導納米線作為接收機，構(gòu)成了光學芯片的一部分。

　　“迄今為止研究光量子技術(shù)應(yīng)用的實驗還通常聲明是在整個實驗室空間內(nèi)進行，”卡爾斯魯厄理工學院的Ralph Krupke教授解釋說。“然而，如果這項技術(shù)想要有意義地應(yīng)用的話，它必須壓縮到一個最小的空間內(nèi)。”這項研究的參與者分別來自德國、波蘭和俄羅斯，由來自明斯特大學(Westphalian Wilhelm University of Münster， WWU)的Wolfram Pernice教授和來自卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的Ralph Krupke，Manfred Kappes和Carsten Rockstuhl領(lǐng)導。

　　科學家首次使用于量子光子電路的光源是由碳制成的特殊的碳納米管。它們的直徑比人的頭發(fā)絲要小100000倍，當其被激光激發(fā)的時候會發(fā)出單個光粒子。光粒子(光子)也被稱為光量子。也因此有了“量子光學”這個名稱。

　　碳納米管能夠發(fā)射單光子，使得它們成為光學量子計算機的有吸引力的超小型光源。“然而，要將這項激光技術(shù)置于一個可擴展的芯片上是一件不容易的事，”物理學家Wolfram Pernice承認。系統(tǒng)的可擴展性，即將元件小型化以便能增加其數(shù)量的可能性，是該技術(shù)應(yīng)用于功能強大的計算機直至量子計算機的前提條件。

　　由于現(xiàn)在所開發(fā)的芯片上的所有單元都是電觸發(fā)的，因此不再需要額外的激光系統(tǒng)，這是對通常的光激發(fā)機制的一個顯著的簡化。“開發(fā)一個其上結(jié)合有單光子源，探測器，和波導的可擴展的芯片，是研究的一個重要步驟，”Ralph Krupke強調(diào)，他在卡爾斯魯厄理工學院納米技術(shù)研究所以及達姆施塔特技術(shù)大學(Darmstadt Technical University)材料科學研究所進行了這項研究。“由于我們證明了單光子也可以由電激發(fā)碳納米管來產(chǎn)生，因此我們已經(jīng)克服了一個迄今為止阻礙了潛在應(yīng)用的限制因素。”

　　關(guān)于這個理論：科學家研究了電荷流經(jīng)碳納米管是否會造成單個光量子的發(fā)射。為了這個目的，他們使用碳納米管來作為單光子源，用超導納米線作為探測器，還使用了納米光子學波導。一個單光子源和兩個探測器分別用一個波導連接起來。然后該結(jié)構(gòu)用液氦進行冷卻，從而使得我們能夠計算單個的光量子。該芯片由電子束光刻設(shè)備制作。

　　科學家的這項成果是基礎(chǔ)性的研究。目前還不清楚是否和何時會導致實際的應(yīng)用。Wolfram Pernice和第一作者Svetlana Khasminskaya由德意志研究聯(lián)合會和亥姆霍茲學會資助，Ralph Krupke則由大眾基金會資助。