美国橡树岭国家实验室打造出首枚量子互联网一体化芯片

橡树岭国家实验室的科学家开发出首款集成关键量子光子元件的芯片，用于生成和操纵纠缠光子，推动了可扩展量子互联网的发展。这一突破使得量子信息能够通过现有的光纤基础设施传输，使用可大规模生产的芯片来降低成本和复杂性。

这项研究发表在《Optica Quantum》杂志上，重点研究了一种量子计算形式，该形式使用光子（光的粒子）来创建量子比特并传输和存储信息。与代表 0 或 1 的传统比特不同，量子比特可以通过一种称为量子叠加的现象同时存在于多种状态中。这使得更复杂、更强大的信息编码成为可能。这项研究还推进了量子网络的基础，量子网络旨在连接远距离的量子设备——这是实现量子互联网的关键一步。

“我们并不是第一个将这些元素中的任何一个放在芯片上的公司，但我们是第一个将这些特定功能放在单个芯片上的公司，”这项研究的资深作者、普渡大学副教授、ORNL 联合任教的 Joe Lukens 表示。“这些芯片可以按照标准化规格制造，这是确保大规模量产的关键。这样的产品使我们超越了桌面演示，走上了任何人都可以使用的量子互联网的道路。”

ORNL 科学家首次成功将关键的量子光子功能集成到单个芯片上。图片来源：ORNL、美国能源部

ORNL 团队在光子上编码量子比特，并生成纠缠量子比特对，即量子比特对相互交织，即使它们在空间上分开，它们也能共享属性。该团队在完全集成电路中创建了宽带偏振纠缠，这是各种量子网络的必要组成部分，其集成电路可与传统计算机所依赖的电子晶体管相媲美。宽带偏振纠缠利用光波振动的方向，在宽波长范围内将信息编码到光子上。

这些光子量子比特可以通过现有的光纤硬件传输，这将节省大量安装新基础设施的成本。这种可移植性有助于实现更稳定、更安全的量子互联网。

生成和编码这些量子位的过程仍然昂贵且耗时，但集成量子光子学（例如该团队的新芯片上部署的那些）可以帮助克服这一障碍。

ORNL 博士后研究员、这项研究的共同作者 Alexander Miloshevsky 表示：“如果我们可以批量生产一种芯片，它拥有产生必要的极化纠缠所需的所有元件，那么我们只需将芯片插入网络，而无需购买和调整所有这些专门的桌面元件。”

该芯片设计集成了微环谐振器等关键元件，微环谐振器可产生纠缠光子对，偏振分束器-旋转器可根据光的偏振将输入光分离到不同的输出路径。将单个芯片上的元件配对可直接产生宽带偏振纠缠。

ORNL 量子研究科学家、这项研究的合著者 Hsuan-Hao Lu 表示：“这些光子与现有的传统光纤电缆网络兼容。一旦我们能够生成和操纵这些光子，我们就可以使用日常现成的电信组件来完成大部分剩余的工作。”

该芯片展示了超过 116 对不同的通道（或光波颜色）用于传输。其中超过 100 个通道具有高保真度——该团队称这是一个“创纪录的数字”。

通过使用微环谐振器进行量子对生成，该团队的设计最终可以实现超纠缠量子比特的创建，超纠缠量子比特可以以多种方式纠缠，例如通过极化和颜色。

“我们能用更多的自由度来纠缠和编码这些量子比特，我们能打包的信息就越多，”卢肯斯说。“纠缠的一个粗略比喻是一对多面骰子，虽然单独掷出的结果完全随机，但总是匹配。当多个自由度（颜色、偏振等）纠缠在一起时，就像可以同时使用几对这样的骰子，每对都可以用于通信。这就是超纠缠。

“所有这些研究都是一幅更大图景的碎片，最终将带我们走向量子互联网。我们不知道最终结果会是什么样子，但我们学到的一切都让我们离目标更近了一步。”

编译自/ScitechDaily