硅光子技术照亮量子信息大规模应用之路

在量子技术的一次重大飞跃中，研究人员在利用集成光子学的频率维度方面取得了里程碑式的进展。这一突破不仅有望推动量子计算的发展，还为超安全通信网络奠定了基础。

集成光子学是在硅芯片上的微小电路中操纵光，由于其可扩展性和与现有电信基础设施的兼容性，长期以来一直为量子应用带来希望。

在发表于《先进光子学》（Advanced Photonics）的一项研究中，来自纳米科学与纳米技术中心（C2N）、巴黎电信公司（Télécom Paris）和意法半导体公司（STM）的研究人员克服了以往的限制，开发出了硅环谐振器，其尺寸小于 0.05 平方毫米，能够产生 70 多个不同的频率通道，间隔 21 千兆赫。

这样，只需使用三个标准电光器件，就能并行和独立控制 34 个单量子比特门。该设备可以高效地生成频带纠缠光子对，这些光子对是构建量子网络的关键部件，可随时操控。

创新的关键在于他们能够利用这些窄频率分离来创建和控制量子态。他们利用集成环形谐振器，通过一种称为自发四波混合的过程，成功地产生了频率纠缠态。这种技术允许光子相互作用并产生纠缠，这是构建量子电路的关键能力。

这项研究的与众不同之处在于它的实用性和可扩展性。通过利用硅谐振器提供的精确控制，研究人员仅用三个现成的电光器件就演示了 34 个单量子比特门的同时运行。这一突破使得复杂的量子网络得以创建，多个量子比特可以独立并行操作。

为了验证他们的方法，研究小组在 C2N 进行了实验，对不同频段的 17 对最大纠缠量子比特进行了量子态层析成像。这种详细的表征证实了其量子态的保真度和相干性，标志着向实用量子计算迈出了重要一步。

也许最值得注意的是，研究人员建立了他们认为是频域内首个完全连接的五用户量子网络，从而实现了网络方面的里程碑。这一成就为量子通信协议开辟了新的途径，因为量子通信协议依赖于量子态编码信息的安全传输。

展望未来，这项研究不仅展示了硅光子学在推动量子技术发展方面的力量，还为量子计算和安全通信的未来应用铺平了道路。随着技术的不断进步，这些集成光子学平台将彻底改变依赖安全数据传输的行业，提供前所未有的计算能力和数据安全性。

通讯作者、C2N 公司和巴黎电信公司的安托万-亨利博士说："我们的工作强调了如何利用频宾技术实现量子信息的大规模应用。我们相信，它为高维和资源高效量子通信的可扩展频域架构提供了前景。"

亨利指出，电信波长的单光子是现实世界应用的理想选择。利用集成光子学的现有光纤网络，可以实现设备的小型化、稳定性和可扩展性，从而提高设备的复杂性，实现高效的定制光子对生成，以实现电信波长频率编码的量子网络。

这项研究的影响是巨大的。通过利用集成光子学中的频率维度，研究人员挖掘出了一些关键优势，包括可扩展性、抗噪性、并行化以及与现有电信多路复用技术的兼容性。随着全球距离实现量子技术的全部潜力越来越近，C2N、巴黎电信和 STM 研究人员所报告的这一里程碑式的成果就像一座灯塔，指引着未来量子网络提供安全通信的方向。