量子計算機新進展：量子光學(xué)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(xué)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(xué)(Nature Photonics)》雜志上的報告，科學(xué)家們第一次成功地將一個完整的量子光學(xué)結(jié)構(gòu)放在一個芯片上。這滿足了在光學(xué)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(dǎo)納米線作為接收機，構(gòu)成了光學(xué)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(xué)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(xué)(Westphalian Wilhelm University of Münster， WWU)的Wolfram Pernice教授和來自卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的Ralph Krupke，Manfred Kappes和Carsten Rockstuhl領(lǐng)導(dǎo)。

　　科學(xué)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(dāng)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(xué)”這個名稱。

　　碳納米管能夠發(fā)射單光子，使得它們成為光學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)院納米技術(shù)研究所以及達姆施塔特技術(shù)大學(xué)(Darmstadt Technical University)材料科學(xué)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(xué)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(dǎo)納米線作為探測器，還使用了納米光子學(xué)波導(dǎo)。一個單光子源和兩個探測器分別用一個波導(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(xué)會資助，Ralph Krupke則由大眾基金會資助。