如何实现基于光子芯片的量子计算机？

量子计算机可以迅速解决那些即使是最强大的经典超级计算机需要数十年才能破解的复杂问题。但它们需要足够大且足够稳定，才能高效地执行运算。为了应对这一挑战，麻省理工学院（MIT）及其他机构的研究人员正在开发基于超紧凑型光子芯片的量子计算机。这些基于芯片的系统为某些现有的依赖庞大光学设备的量子计算机提供了一种可扩展的替代方案。

但这些量子计算机必须冷却到极低的温度，以最大限度地减少振动并防止错误。到目前为止，此类基于芯片的系统一直受限于低效且缓慢的冷却方法。

现在，麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室的一组研究人员实施了一种更快、更节能的方法来冷却这些基于光子芯片的量子计算机。他们的方法实现了比标准激光冷却极限低约 10 倍的冷却效果。这项技术的关键是一个光子芯片，它集成了设计精密的天线，用于操控紧密聚焦且相交的光束。研究人员的初步演示向着可扩展的基于芯片的架构迈出了关键一步，这种架构未来可能实现具有更高效率和稳定性的量子计算系统。

该论文的作者之一Jelena Notaros表示，“我们能够设计偏振分集集成光子学器件，利用它们开发各种新颖的基于集成光子学的系统，并应用它们展示了非常高效的离子冷却。然而，这只是我们使用这些器件所能做的开始。通过将偏振分集引入基于集成光子学的离子阱系统，这项工作为离子阱的各种高级操作打开了大门，这些操作以前是无法实现的，甚至超越了高效离子冷却 —— 所有这些都是我们未来兴奋地探索的研究方向。”

该论文的共同作者包括第一作者、EECS 研究生Sabrina Corsetti；前博士后、现任麻省理工学院林肯实验室研究员的Ethan Clements；林肯实验室高级技术人员、麻省理工学院量子工程中心首席研究员John Chiaverini；物理系研究生Felix Knollmann；以及林肯实验室和麻省理工学院的其他人员。这项研究今天发表在《Light: Science & Applications》和《Physical Review Letters》的两篇联合出版物中。

寻求可扩展性

虽然量子系统有多种类型，但这项研究的重点是离子阱量子计算。在这种应用中，一种被称为离子的带电粒子是通过从原子上剥离电子形成的，然后利用射频信号捕获并利用光信号进行操控。

研究人员使用激光通过改变捕获离子的状态来对其进行信息编码。这样，离子就可以用作量子比特。量子比特是量子计算机的基石。

为了防止离子与空气中的气体分子发生碰撞，离子被置于真空中，这种真空通常由一种称为低温恒温器的设备产生。传统上，庞大的激光器位于低温恒温器外部，通过低温恒温器的窗口向芯片发射不同的光束。这些系统需要一整间屋子的光学组件才能处理几十个离子，这使得很难扩展到高级量子计算所需的大量离子。低温恒温器外部的轻微振动也会干扰光束，最终降低量子计算机的精度。

为了克服这些挑战，麻省理工学院的研究人员一直在开发基于集成光子学的系统。在这种情况下，光是从捕获离子的同一芯片上发射出来的。这通过消除对外部光学组件的需求提高了可扩展性。

Knollmann表示，“现在，我们可以设想在单个芯片上拥有数千个位点，所有位点都连接到许多离子，所有离子都以可扩展的方式协同工作。” 但迄今为止，基于集成光子学的演示所实现的冷却效率有限。

保持低温

为了实现快速和准确的量子运算，研究人员使用光场来降低捕获离子的动能。这会导致离子冷却到接近绝对零度，这是一个比低温恒温器所能达到的温度还要低的有效温度。但是，常见的方法有较高的冷却极限，因此在冷却过程完成后，离子仍然具有大量的振动能量。这将使得难以将量子比特用于高质量的计算。

麻省理工学院的研究人员采用了一种更复杂的方法，称为偏振梯度冷却，这涉及两束光的精确相互作用。每束光都有不同的偏振，这意味着每束光中的场都在不同的方向（上下、左右等）振荡。在这些光束相交的地方，它们形成一个旋转的光涡旋，可以更有效地迫使离子停止振动。

尽管这种方法以前使用体光学（bulk optics）已经被证明过，但在集成光子学中尚未被展示过。

为了实现这种更复杂的相互作用，研究人员设计了一种带有两个纳米级天线的芯片，这些天线从芯片发射光束以操控其上方的离子。这些天线通过波导连接，波导将光路由到天线。波导旨在稳定光路，从而提高光束产生的涡旋图案的稳定性。

Clements表示，“当我们从集成天线发射光时，它的表现与体光学不同。光束和产生的光图案变得极其稳定。拥有这些稳定的图案使我们能够以更大的控制力探索离子行为。”

研究人员还设计了天线，以最大限度地增加到达离子的光量。每个天线都有微小的弯曲切口，向上散射光线，间距恰到好处，以将光导向离子。

Corsetti表示，“我们在林肯实验室多年的开发基础上，设计了这些光栅以发射不同偏振的光。”

他们尝试了几种架构，对每种架构进行了表征，以更好地理解其发光方式。在最终设计到位后，研究人员展示了比标准激光冷却极限（称为多普勒极限）低近 10 倍的离子冷却。他们的芯片能够在大约 100 微秒内达到这一极限，比其他技术快几倍。

“在离子阱芯片中使用集成光学器件展示增强性能，为进一步集成奠定了基础，这可以允许量子态操控的新方法，并可能改善实用量子信息处理的前景，”Chiaverini补充道。“实现这一进步的关键是麻省理工学院校区和林肯实验室小组之间的跨研究所合作，这是我们在迈出下一步时可以借鉴的模式。”

未来，该团队计划对不同的芯片架构进行表征实验，并演示多离子的偏振梯度冷却。此外，他们希望探索其他可能受益于他们可以用这种架构产生的稳定光束的应用。