在量子技術(shù)的一次重大飛躍中，研究人員在利用集成光子學(xué)的頻率維度方面取得了里程碑式的進(jìn)展。這一突破不僅有望推動量子計(jì)算的發(fā)展，還為超安全通信網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

集成光子學(xué)是在硅芯片上的微小電路中操縱光，由于其可擴(kuò)展性和與現(xiàn)有電信基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性，長期以來一直為量子應(yīng)用帶來希望。

在發(fā)表于《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics）的一項(xiàng)研究中，來自納米科學(xué)與納米技術(shù)中心（C2N）、巴黎電信公司（Télécom Paris）和意法半導(dǎo)體公司（STM）的研究人員克服了以往的限制，開發(fā)出了硅環(huán)諧振器，其尺寸小于 0.05 平方毫米，能夠產(chǎn)生 70 多個不同的頻率通道，間隔 21 千兆赫。

這樣，只需使用三個標(biāo)準(zhǔn)電光器件，就能并行和獨(dú)立控制 34 個單量子比特門。該設(shè)備可以高效地生成頻帶糾纏光子對，這些光子對是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件，可隨時操控。

創(chuàng)新的關(guān)鍵在于他們能夠利用這些窄頻率分離來創(chuàng)建和控制量子態(tài)。他們利用集成環(huán)形諧振器，通過一種稱為自發(fā)四波混合的過程，成功地產(chǎn)生了頻率糾纏態(tài)。這種技術(shù)允許光子相互作用并產(chǎn)生糾纏，這是構(gòu)建量子電路的關(guān)鍵能力。

這項(xiàng)研究的與眾不同之處在于它的實(shí)用性和可擴(kuò)展性。通過利用硅諧振器提供的精確控制，研究人員僅用三個現(xiàn)成的電光器件就演示了 34 個單量子比特門的同時運(yùn)行。這一突破使得復(fù)雜的量子網(wǎng)絡(luò)得以創(chuàng)建，多個量子比特可以獨(dú)立并行操作。

為了驗(yàn)證他們的方法，研究小組在 C2N 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對不同頻段的 17 對最大糾纏量子比特進(jìn)行了量子態(tài)層析成像。這種詳細(xì)的表征證實(shí)了其量子態(tài)的保真度和相干性，標(biāo)志著向?qū)嵱昧孔佑?jì)算邁出了重要一步。

也許最值得注意的是，研究人員建立了他們認(rèn)為是頻域內(nèi)首個完全連接的五用戶量子網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)方面的里程碑。這一成就為量子通信協(xié)議開辟了新的途徑，因?yàn)榱孔油ㄐ艆f(xié)議依賴于量子態(tài)編碼信息的安全傳輸。

展望未來，這項(xiàng)研究不僅展示了硅光子學(xué)在推動量子技術(shù)發(fā)展方面的力量，還為量子計(jì)算和安全通信的未來應(yīng)用鋪平了道路。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些集成光子學(xué)平臺將徹底改變依賴安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)男袠I(yè)，提供前所未有的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)安全性。

通訊作者、C2N 公司和巴黎電信公司的安托萬-亨利博士說："我們的工作強(qiáng)調(diào)了如何利用頻賓技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子信息的大規(guī)模應(yīng)用。我們相信，它為高維和資源高效量子通信的可擴(kuò)展頻域架構(gòu)提供了前景。"

亨利指出，電信波長的單光子是現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用的理想選擇。利用集成光子學(xué)的現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，從而提高設(shè)備的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)高效的定制光子對生成，以實(shí)現(xiàn)電信波長頻率編碼的量子網(wǎng)絡(luò)。

這項(xiàng)研究的影響是巨大的。通過利用集成光子學(xué)中的頻率維度，研究人員挖掘出了一些關(guān)鍵優(yōu)勢，包括可擴(kuò)展性、抗噪性、并行化以及與現(xiàn)有電信多路復(fù)用技術(shù)的兼容性。隨著全球距離實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)的全部潛力越來越近，C2N、巴黎電信和 STM 研究人員所報告的這一里程碑式的成果就像一座燈塔，指引著未來量子網(wǎng)絡(luò)提供安全通信的方向。