图：用于产生纠缠光子的芯片集成量子光源（艺术图）。资料来源：Raktim Haldar/Michael Kues
来自德国Leibniz University Hannover 大学、荷兰Twente大学和初创公司QuiX Quantum的一个国际研究团队首次在芯片上完全集成了纠缠量子光源。这项研究的结果发表在 Nature Photonics上。
“我们的突破使我们能够将源尺寸缩小1000倍以上，从而实现再现性、更长时间的稳定性、可扩展性和潜在的大规模生产。所有这些特性都是量子处理器等实际应用所必需的”Michael Kues教授博士说。
量子比特是量子计算机和量子互联网的基本组成部分。量子光源产生可以用作量子比特的光量子（光子）。片上光子学已经成为处理光量子态的领先平台，因为它紧凑、稳健，并且可以在单个芯片上容纳和排列许多元件。在这里，光通过极其紧凑的结构被引导到芯片上，这些结构用于构建光子量子计算系统。今天已经可以通过云访问这些内容了。可扩展地实现，它们可以解决传统计算机由于计算能力有限而无法访问的任务。这种优势被称为量子优势。
图：整个量子光源可以安装在一个比一欧元硬币还小的芯片上。研究人员使用一种新的“混合技术”，将磷化铟制成的激光器和氮化硅制成的滤波器结合在一个芯片上，将光源的尺寸缩小了1000多倍。这种新光源高效稳定，可以应用于驱动量子计算机或量子互联网。来源：光子学研究所/LUH
Kues团队的博士生Hatam Mahmudlu表示：“到目前为止，量子光源需要外部、芯片外和体积庞大的激光系统，这限制了它们在该领域的使用。然而，我们通过新颖的芯片设计和开发不同的集成平台来克服这些挑战。”。他们的新开发，一种电激发、激光集成的光子量子光源，完全可以安装在芯片上，可以发射频率纠缠的量子位态。
“量子位非常容易受到噪声的影响。芯片必须由激光场驱动，完全没有噪声，需要片上滤波器。以前，在同一芯片上集成激光器、滤波器和腔是一个重大挑战，因为没有独特的材料能够有效地构建这些不同的组件，”Kues团队的洪堡研究员Raktim Haldar博士说。
关键是“混合技术”，它将磷化铟制成的激光器、滤波器和氮化硅制成的空腔结合在一起，并将它们集成到一个芯片中。在芯片上，在一个自发的非线性过程中，激光场产生了两个光子。每个光子同时跨越一系列颜色，这被称为“叠加”，并且两个光子的颜色是相关的，即光子纠缠在一起，可以存储量子信息。Kues说：“我们实现了量子计算机或量子互联网应用所需的显著效率和状态质量。”
“现在，我们可以将激光器与芯片上的其他组件集成，使整个量子源比一枚欧元硬币还小。我们的微型设备可以被认为是在光子芯片上实现量子优势的一步。与Google不同，Google目前在低温系统中使用超冷量子位，即使在室温下，芯片上的这种光子系统也可以实现量子优势 ”Haldar说。
科学家们还希望他们的发现有助于降低应用的生产成本。Kues说：“我们可以想象，我们的量子光源很快将成为可编程光子量子处理器的基本组件。”。
- Raktim Haldar, Fully on-chip photonic turnkey quantum source for entangled qubit/qudit state generation, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01193-1. www.nature.com/articles/s41566-023-01193-1
