量子運算+集成電路，芯片尺寸無限小？

　　日本東京大學(xué)光學(xué)系統(tǒng)研究科物理工學(xué)專業(yè)教授古澤明領(lǐng)導(dǎo)的研究小組宣布，成功將在采用光的“量子隱形傳態(tài)（Quantum teleportation）”中起重要作用的光學(xué)回路集成到了硅芯片上。可以說這向?qū)崿F(xiàn)量子門方式的量子計算機邁出了一大步。

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

　　古澤的研究小組正在研究將這種量子隱形傳態(tài)應(yīng)用于量子計算機的基本元件。具體是將量子隱形傳態(tài)的原理用作對任意量子態(tài)進行運算操作的機理，而非遙傳量子態(tài)的機理。這種機理被叫做“量子門隱形傳態(tài)”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(xué)元件構(gòu)成了量子隱形傳態(tài)光學(xué)回路。該光學(xué)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(xué)回路中用于生成和檢測量子糾纏的干擾儀部分（約1m2）集成到了26mm×4mm的硅芯片上。是采用NTT的 PLC（planar lightwave circuit）技術(shù)進行集成的。基板為硅基板，光波導(dǎo)由SiO2構(gòu)成。激光采用的是硅受光器能以高靈敏度捕獲的波長為860nm的光。

　　古澤指出“原來的干擾儀采用了接近100個光學(xué)元件”。集成以后，變成了僅由4～5個馬赫-曾德爾（MZ）干擾儀構(gòu)成的IC。集成前的干擾儀之所以采用接近100個光學(xué)元件，是因為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(shù)中，彎曲光是通過彎曲光波導(dǎo)來實現(xiàn)的，因此不需要反射鏡等，結(jié)構(gòu)變得非常簡單。

　　采用PLC的MZ干擾儀并不是新技術(shù)。該技術(shù)已被長距離通信使用的光開關(guān)等領(lǐng)域采用。甚至還有在芯片上集成數(shù)千個MZ干擾儀的情況。所以說此次具有劃時代的意義，是因為原來量子糾纏生成和檢測只能利用由光學(xué)元件構(gòu)成的系統(tǒng)來實現(xiàn)，而現(xiàn)在即使將相關(guān)功能集成到IC中也可實現(xiàn)。“不嘗試不知道激光的相干性等通過PLC的波導(dǎo)及MZ干擾儀以后能否保留”（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(shù)，首次觀測到了量子糾纏”（古澤）。

　　將成為量子門方式量子計算機的有力技術(shù)

　　此次IC化的成功有可能使將光作為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(tǒng)更早實現(xiàn)。

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

　　唯一的也是最大的缺點就是光學(xué)回路難以集成。此次證實光學(xué)回路能夠集成到IC中，這為實現(xiàn)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為量子位的品質(zhì)。實際上，目前觀測到的量子糾纏狀態(tài)離理想狀態(tài)還很遙遠。因為“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，最后只剩下50％左右”（古澤）。估計通過盡可能將光纖部分換成PLC的光波導(dǎo)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(shù)就能實現(xiàn)，就能運行量子計算機”。