意外發現量子光子學,能溫控,5G標準, 量子計算都有大用!


7月
17
2019

一個不少於128個可調諧元件的光子晶片,被證明是一個真正的計算機「翹楚」,具有多種應用。在使用這種光子晶片測量波長的研究中,特恩特大學Caterina Taballione偶然發現了另一種應用——通過向系統發送單個光子而不是連續光,光學組件也可以執行量子操作,同樣的晶片可以作為光子量子處理器。在晶片上操縱光現在已經可以達到非常高級的水平,特別是使用材料的組合。

研究人員可以用氮化矽製造損耗極低的光波導,或者用磷化銦製造窄雷射光源。Caterina Taballione在研究論文中展示的晶片包含了許多組件,這些組件可以分割或組合來自不同通道的光,類似於一個鐵路堆場。它也有環形諧振器,可以作為濾波器。優勢在於它的組件可以從外部控制,使得晶片具有靈活性和可編程性,在量子光子學中也有應用。

溫度控制

這些部件是通過溫度來控制的,該晶片有許多所謂的馬赫-曾德爾干涉儀,可以將光從一個光傳導通道分裂成兩個光波導。在兩個通道重新連接之前,可以通過施加溫度變化來控制其中一個通道。結果是來自兩個通道的信號並不相同:它們有不同的相位,環形元件也可以進行溫度控制。通過這種方法,Taballione能夠提供一種非常精確測量光波長的方法。

為此,她將溫度控制與人工神經網絡相結合,該系統具有高度可重構性。這使得它適用於即將到來的5G移動標準。在這個標準中,無線信號必須非常精確地從基站定向到用戶。計算天線的最佳組合,稱為「波束形成」,通常是一項新晶片可以快速完成的任務,具有很高的能源效率。

量子計算

這些都是展示光子晶片潛力的強大應用。但是在輸入端單獨檢測單個光子而不是連續光源的情況下呢?在這種情況下,這些成分支持典型的量子效應,如聚結、糾纏和疊加。在輸出端檢測到的光子是利用組件溫度控制進行量子處理的結果。雖然單個光子光源和探測器通常在低溫下工作,但量子處理器本身在室溫下工作,因此,使用光子進行量子計算比使用量子位元更有優勢。

量子位元只能在非常低的溫度下工作,這使得晶片成為一個強大的量子實驗平台,從而組件的數量、特別是當輸入和輸出的數量進一步擴大。包括單光子光源和探測器也將使系統更強大。因此,參與其中的德克薩斯大學科學家成立了一家新公司,讓其他科學家和研發部門可以廣泛使用這種晶片。


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