將部分量子運(yùn)算電路集成到IC，尺寸大幅度減小

　　日本東京大學(xué)光學(xué)系統(tǒng)研究科物理工學(xué)專(zhuān)業(yè)教授古澤明領(lǐng)導(dǎo)的研究小組宣布，成功將在采用光的“量子隱形傳態(tài)(Quantum teleportation)”中起重要作用的光學(xué)回路集成到了硅芯片上?？梢哉f(shuō)這向?qū)崿F(xiàn)量子門(mén)方式的量子計(jì)算機(jī)邁出了一大步。

　　量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏狀態(tài)遙傳多種量子態(tài)中的一種狀態(tài)的方法。由于看上去像量子態(tài)瞬間移動(dòng)，因此被叫做隱形傳態(tài)。

　　古澤的研究小組正在研究將這種量子隱形傳態(tài)應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)的基本元件。具體是將量子隱形傳態(tài)的原理用作對(duì)任意量子態(tài)進(jìn)行運(yùn)算操作的機(jī)理，而非遙傳量子態(tài)的機(jī)理。這種機(jī)理被叫做“量子門(mén)隱形傳態(tài)”或“量子運(yùn)算放大器”。

　　以前，古澤的研究小組采用激光、透鏡及反射鏡等500多個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成了量子隱形傳態(tài)光學(xué)回路。該光學(xué)回路占地面積達(dá)到約4.2m×約1.5m(約6.3m2)。

　　此次，研究小組將這個(gè)大約6.3m2的光學(xué)回路中用于生成和檢測(cè)量子糾纏的干擾儀部分(約1m2)集成到了26mm×4mm的硅芯片上。是采用NTT的 PLC(planar lightwave circuit)技術(shù)進(jìn)行集成的。基板為硅基板，光波導(dǎo)由SiO2構(gòu)成。激光采用的是硅受光器能以高靈敏度捕獲的波長(zhǎng)為860nm的光。

　　古澤指出“原來(lái)的干擾儀采用了接近100個(gè)光學(xué)元件”。集成以后，變成了僅由4～5個(gè)馬赫-曾德?tīng)?MZ)干擾儀構(gòu)成的IC。集成前的干擾儀之所以采用接 近100個(gè)光學(xué)元件，是因?yàn)橄蛳Ｍ姆较驈澢す饧拔⒚罡淖児獬痰裙獠僮餍枰芏喾瓷溏R。在PLC技術(shù)中，彎曲光是通過(guò)彎曲光波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此不需要反 射鏡等，結(jié)構(gòu)變得非常簡(jiǎn)單。

　　采用PLC的MZ干擾儀并不是新技術(shù)。該技術(shù)已被長(zhǎng)距離通信使用的光開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域采用。甚至還有在芯片上集成數(shù)千個(gè)MZ干擾儀的情況。所以說(shuō)此次具有劃時(shí)代 的意義，是因?yàn)樵瓉?lái)量子糾纏生成和檢測(cè)只能利用由光學(xué)元件構(gòu)成的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),而現(xiàn)在即使將相關(guān)功能集成到IC中也可實(shí)現(xiàn)。“不嘗試不知道激光的相干性等通 過(guò)PLC的波導(dǎo)及MZ干擾儀以后能否保留”(古澤)。

　　過(guò)去，其他研究小組也幾次嘗試過(guò)集成。但都不是很成功?！斑@次采用可謂全球最高水平的NTT的PLC技術(shù)，首次觀測(cè)到了量子糾纏”(古澤)。

　　將成為量子門(mén)方式量子計(jì)算機(jī)的有力技術(shù)

　　此次IC化的成功有可能使將光作為量子位使用的量子門(mén)方式的量子計(jì)算機(jī)比采用其他物理量子位的系統(tǒng)更早實(shí)現(xiàn)。

　　業(yè)內(nèi)早就發(fā)現(xiàn)，光作為量子計(jì)算機(jī)的量子位比其他物理元件穩(wěn)定得多?！捌渌锢碓哪芰糠浅Ｐ?，與環(huán)境溫度的差距不大，因此非常容易受環(huán)境噪聲影響。因此，需要在極低溫下冷卻。而光能比環(huán)境溫度高很多，在室溫下也基本不受環(huán)境噪聲影響”(古澤)。

　　唯一的也是最大的缺點(diǎn)就是光學(xué)回路難以集成。此次證實(shí)光學(xué)回路能夠集成到IC中，這為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)掃除了一大障礙。

　　剩下的課題就是通過(guò)降低光損耗來(lái)提高作為量子位的品質(zhì)。實(shí)際上，目前觀測(cè)到的量子糾纏狀態(tài)離理想狀態(tài)還很遙遠(yuǎn)。因?yàn)椤肮庾与S著光纖中的損耗及光纖與芯片間 的耦合損耗而丟失，最后只剩下50%左右”(古澤)。估計(jì)通過(guò)盡可能將光纖部分換成PLC的光波導(dǎo)等，有望大幅改善。古澤指出“如果能將(整個(gè)量子運(yùn)算放 大器)的損耗降至50%以下，從原理上講，量子糾錯(cuò)技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)，就能運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)”。