量子运算+集成电路 芯片尺寸未来无限小

        日本东京大学光学系统研究科物理工学专业教授古泽明领导的研究小组宣布，成功将在采用光的“量子隐形传态（Quantum teleportation）”中起重要作用的光学回路集成到了硅芯片上。可以说这向实现量子门方式的量子计算机迈出了一大步。

 

        量子隐形传态是利用量子纠缠状态遥传多种量子态中的一种状态的方法。由于看上去像量子态瞬间移动，因此被叫做隐形传态。

 

　　古泽的研究小组正在研究将这种量子隐形传态应用于量子计算机的基本元件。具体是将量子隐形传态的原理用作对任意量子态进行运算操作的机理，而非遥传量子态的机理。这种机理被叫做“量子门隐形传态”或“量子运算放大器”。

 

　　以前，古泽的研究小组采用激光、透镜及反射镜等500多个光学元件构成了量子隐形传态光学回路。该光学回路占地面积达到约4.2m×约1.5m（约6.3m2）。

 

　此次，研究小组将这个大约6.3m2的光学回路中用于生成和检测量子纠缠的干扰仪部分（约1m2）集成到了26mm×4mm的硅芯片上。是采用NTT 的 PLC（planar lightwave circuit）技术进行集成的。基板为硅基板，光波导由SiO2构成。激光采用的是硅受光器能以高灵敏度捕获的波长为860nm的光。

 

　　古泽指出“原来的干扰仪采用了接近100个光学元件”。集成以后，变成了仅由4～5个马赫-曾德尔（MZ）干扰仪构成的IC。集成前的干扰仪之所以采用接近100个光学元件，是因为向希望的方向弯曲激光及微妙改变光程等光操作需要很多反射镜。在PLC技术中，弯曲光是通过弯曲光波导来实现的，因此不需要反射镜等，结构变得非常简单。

 

　　采用PLC的MZ干扰仪并不是新技术。该技术已被长距离通信使用的光开关等领域采用。甚至还有在芯片上集成数千个MZ干扰仪的情况。所以说此次具有划时代的意义，是因为原来量子纠缠生成和检测只能利用由光学元件构成的系统来实现，而现在即使将相关功能集成到IC中也可实现。“不尝试不知道激光的相干性等通过PLC的波导及MZ干扰仪以后能否保留”（古泽）。

 

　　过去，其他研究小组也几次尝试过集成。但都不是很成功。“这次采用可谓全球最高水平的NTT的PLC技术，首次观测到了量子纠缠”。

 

将成为量子门方式量子计算机的有力技术

 

　　此次IC化的成功有可能使将光作为量子位使用的量子门方式的量子计算机比采用其他物理量子位的系统更早实现。

 

　　业内早就发现，光作为量子计算机的量子位比其他物理元件稳定得多。“其他物理元件的能量非常小，与环境温度的差距不大，因此非常容易受环境噪声影响。因此，需要在极低温下冷却。而光能比环境温度高很多，在室温下也基本不受环境噪声影响”（古泽）。

 

　　唯一的也是最大的缺点就是光学回路难以集成。此次证实光学回路能够集成到IC中，这为实现量子计算机扫除了一大障碍。

 

　　剩下的课题就是通过降低光损耗来提高作为量子位的品质。实际上，目前观测到的量子纠缠状态离理想状态还很遥远。因为“光子随着光纤中的损耗及光纤与芯片间的耦合损耗而丢失，最后只剩下50％左右”（古泽）。估计通过尽可能将光纤部分换成PLC的光波导等，有望大幅改善。古泽指出“如果能将（整个量子运算放大器）的损耗降至50％以下，从原理上讲，量子纠错技术就能实现，就能运行量子计算机”。