研究人员为量子计算机提出了一种更简单的设计

如今的量子计算机建造起来很复杂，很难扩大规模，而且需要比星际空间更低的温度才能运行。这些挑战促使研究人员 探索 利用光子(光的粒子)建造量子计算机的可能性。光子可以很容易地将信息从一个地方带到另一个地方，而且光子量子计算机可以在室温下工作，所以这种方法很有前途。然而，尽管人们已经成功地为光子创建了单独的量子“逻辑门”，但要构建大量的门并以可靠的方式将它们连接起来，以执行复杂的计算，仍然是一个挑战。

现在，根据11月29日发表在《光学》杂志上的一篇论文，斯坦福大学的研究人员提出了一种使用现成元件的更简单的光子量子计算机设计。他们提出的设计使用激光操纵单个原子，进而可以通过一种被称为“量子隐形传态”的现象改变光子的状态。原子可以被重置并用于多个量子门，从而消除了构建多个不同物理门的需要，大大降低了构建量子计算机的复杂性。

“通常情况下,如果你想要建立这种类型的量子计算机,你可能需要成千上万的量子发射器,使他们完全无法区分,然后将它们集成到一个巨大的光子电路,”本·巴特利特说,一个博士生在应用物理和论文的主要作者。“而在这种设计中，我们只需要几个相对简单的组件，机器的大小不会随着你想要运行的量子程序的大小而增加。”

这种非常简单的设计只需要几件设备:一根光缆、一个分束器、一对光开关和一个光腔。

幸运的是，这些组件已经存在，甚至可以在商业上买到。它们也在不断改进，因为它们目前被用于量子计算以外的应用。例如，电信公司多年来一直致力于改进光纤电缆和光开关。

“我们在这里提出的建议是建立在人们为改善这些部件所付出的努力和投资的基础上，”工程学院Joseph and Hon Mai Goodman教授、该论文的高级作者范善辉(shan - hui Fan)说。“它们不是专门用于量子计算的新组件。”

一个新颖的设计

科学家的设计包括两个主要部分:储存环和散射单元。存储环的功能与普通计算机中的内存类似，它是一个光纤环，包含多个光子，并在环上传播。类似于在经典计算机中存储信息的位，在这个系统中，每个光子代表一个量子位，或“量子位”。光子在存储环上的移动方向决定了量子位的值，量子位就像位一样，可以是0或1。此外，由于光子可以同时以两种状态存在，单个光子可以同时向两个方向流动，这代表一个值同时为0和1的组合。

研究人员可以通过将光子从存储环引导到散射单元来操纵它，在散射单元中，光子移动到一个包含单个原子的腔中。然后光子与原子相互作用，导致两者成为“纠缠”，这是一种量子现象，即两个粒子可以相互影响，即使相隔很远。然后，光子返回存储环，激光改变原子的状态。由于原子和光子是纠缠的，操纵原子也会影响其配对光子的状态。

“通过测量原子的状态，你可以将操作传送到光子上，”Bartlett说。“所以我们只需要一个可控的原子量子位，我们可以用它作为代理，间接操纵所有其他光子量子位。”

因为任何量子逻辑门都可以被编译成在原子上执行的一系列操作，所以原则上，你可以只使用一个可控的原子量子位来运行任何大小的量子程序。为了运行一个程序，代码被翻译成一系列操作，这些操作引导光子进入散射单元并操纵原子量子位。因为你可以控制原子和光子相互作用的方式，同一个设备可以运行许多不同的量子程序。

“对于许多光子量子计算机来说，门是光子通过的物理结构，所以如果你想改变正在运行的程序，通常需要重新配置硬件，”Bartlett说。“而在这种情况下，你不需要改变硬件，你只需要给机器一个不同的指令集。”

“我们首次在基于集成光子芯片的掺铒波导放大器中，实现超过 145 毫瓦（>145mW）的片上连续光输出功率，比已报道的器件提高两个数量级。并在几平方毫米的芯片面积上，实现了超过 30 分贝的片上连续光增益，这相当于将输入信号放大 1000 倍，也能满足光通信在 C 波段以及部分 L 波段的应用需求。”瑞士洛桑联邦理工（EPFL，?cole Polytechnique Fédérale de Lausanne）物理系教授托拜厄斯·J· 基彭伯格（Tobias J. Kippenberg）团队表示。

他们谈论的这一成果，正是近期发表在 Science 的一篇论文[1]。研究中，该团队在最长达 0.5 米的超低损耗氮化硅集成光波导中，使用了高能铒离子注入的方法进行掺杂。这种稀土离子注入技术在 1991 年由当时在美国贝尔实验室的阿尔贝托·波尔曼（Alberto Polman）教授（现任职于荷兰原子分子国立研究所）在薄膜材料中验证。该团队在保证离子掺杂均匀性的同时实现了高达 0.3% 原子掺杂浓度，铒离子分布与光模场重叠因子高达 50%，相比于其他稀土离子掺杂方式具有明显的优势。

高温退火之后，离子注入后的波导仍然保持了小于 5 分贝每米的超低背景光损耗，相当于在 1 米长的光波导中光信号背景损耗小于 50%。课题组使用波长在 1480 纳米的泵浦光（约 245 毫瓦），实现了接近 60% 的最大片上光功率转换效率。

相关器件的放大性能，不仅能与最先进的硅基异质集成半导体光放大器的增益性能相媲美，还达到了一些部分商用掺铒光纤放大器的水平。此外，他们还展示了选择性离子注入技术，证明了任意定义芯片上铒掺杂区域的可行性，借此制备出在同一个集成光子芯片上同时实现光增益单元与低损耗的无源功能器件，为实现大规模复杂的单片集成有源光子芯片提供了技术基础。

在应用上，其最直接的一个应用前景是实现尺寸极紧凑的高性能波导光放大器，在对器件体积和重量敏感的部分应用场景中取代台式光纤放大器，比如在数据中心，移动设备，和机载、星载设备中。

进一步的，该器件可以与其他片上光子功能器件集成在同一个光子芯片上，实现更复杂的、集成度更高的功能器件和系统，比如低噪声激光器、波长可调激光器、光子雷达引擎等，以满足光通信、集成微波光子学、量子信息存储等重要领域的研究和应用需求。

其中，该团队的博士后刘阳博士、博士生邱哲儒、博士生纪歆茹是论文主要作者；两位 EPFL 前同事——目前就职于南京航空航天大学的何吉骏博士、和就职于深圳国际量子研究院刘骏秋博士，也参与了该工作。

论文题为《基于光子集成电路的掺铒放大器》（A photonic integrated circuit–based erbium-doped amplifier），发表之后还得到了 Science 的亮点报道[2]。

亟待解决的难题：在集成光子芯片中实现高性能、低串扰的光信号放大

据介绍，作为一个可将微弱的光信号直接进行光放大的器件，掺铒光纤放大器被广泛用于长距离光纤通信网路和各种光纤激光中。掺铒光纤放大器的实现，是通过在光纤纤芯中注入了铒（Er）离子这种稀土元素，使得在泵浦光源的激励下，可直接对通信波段的光信号进行放大。

近二十年来，集成光子芯片技术得到了迅速发展，也极大降低了光子信号处理器件的尺寸和功耗。然而，一直以来在集成光子芯片中实现高性能、低串扰的光信号放大，是一个亟待解决的难题。

而本次团队将高浓度稀土铒离子直接注入到集成光子芯片中，实现了集成光波导放大器，首次达到了与商用光纤放大器相当的性能， 解决了实现集成高功率光放大器、低噪声激光器、高脉冲功率锁模激光器等重要光子器件的关键难题。

其研究背景要从 20 世纪 80 年代说起。当时，国际著名光子学专家、英国南安普顿大学光电子中心的佩恩爵士（Sir D. N. Payne），以及美国贝尔实验室的物理学家埃曼努尔·杜苏庇尔（Emmanuel Desurvire）等研究人员发明了掺铒光纤放大器，它的诞生是光纤通信技术的革命性突破。

而华裔物理学家、诺贝尔物理学奖得主高锟发明的光纤，奠定了光通信的基础。但是，只有在光纤放大器取代了传统的、性能受限的电中继器之后，光通信技术才得到了飞速发展，人们才能通过遍布全球的长距离、跨洋光纤通信网络与世界各地通信交流。

稀土离子比如铒、镱、铥等具有独特的 4f 壳层电子结构，这让它们在宿主材料中有长达几个毫秒的激发态寿命，有利于实现粒子数反转从而能放大光信号。同时，毫秒级的长激发态寿命能大大减低不同波段光信号之间的串扰，从而能在一个放大器中对处于多个波长的光信号进行放大，进而极大地增加信道容量。

如今，商用光纤放大器的噪声系数，已能非常接近于量子力学决定的非相敏光放大的极限噪声性能（3分贝）。凭借这些特性，基于稀土离子掺杂的光纤放大器，成为了光通信技术中的理想增益介质。

此外，光纤放大器几乎在所有光纤激光器应用中都发挥着至关重要的作用，例如光纤传感、频率计量、激光雷达、激光加工等应用。在目前世界上最精确的原子钟里，光学频率梳是用于将光学频率转换为射频频率的关键组件，其中也运用了基于稀土离子掺杂的光纤放大器。

正因为基于稀土离子的光纤放大器的性能优势和在应用上的巨大成功，在集成光子芯片上实现基于稀土离子的波导放大器，很自然地成为了一个重要研究目标，这将对于集成光子学的发展具有相当重要的意义， 能填补集成光子芯片上低噪声光放大技术的空白。

在过去 30 年里，全球许多团队都对稀土离子掺杂的波导放大器的研发做出了尝试。例如，在 20 世纪 90 年代，美国贝尔实验室展开了关于掺铒波导放大器的开创性研究，但由于当时采用的基于低折射率的玻璃的波导器件受体积大、损耗高，无法与现代集成光子芯片微纳加工工艺兼容等限制，相关研究逐渐相继停滞。

近十年来，集成光子学的快速发展和器件加工工艺的不断提升，对在主流集成光子材料平台上实现掺铒波导放大器，研究人员重新产生了浓厚兴趣，此前已有团队制备出掺铒氧化铝和掺铒锂酸铌放大器等。

然而，已报道的基于集成光子波导放大器的输出功率远低于 1 毫瓦（