前沿 | 面向光量子计算：MIT新研究实现室温下单光子非线性

选自MIT News

作者：Larry Hardesty

机器之心编译

参与：Smith、李泽南、吴攀

看起来，MIT 最近在光计算上取得了不少的成果。前两天，机器之心报道了 MIT 发表在 Nature Photonics 上的一项研究成果，参阅《MIT 新突破：Nature Photonics 揭秘新型光学深度神经网络系统》。今天，我们又将介绍 MIT 在光量子计算上的一项研究进展。顺便一提，MIT Quantum Photonics Group 负责人 Dirk Englund 教授同时参与了这两项研究。本文是对 MIT 官网新闻以及发表在 Physical Review Letters 上的相关论文摘要的编译介绍。

其原型设备可使光子和光子之间在室温情况下进行相互作用。

一般情况下，光粒子（即光子）之间是没有相互作用的。如果两个光子在真空状态下碰撞，它们只会简单地穿越彼此。

如果有一种有效的方法可以使光子之间进行相互作用，那么在经典光学和量子计算这两方面都将产生新的突破。已经有一种实验技术可以保证一些类型的计算可以获得很大的加速。

近些年来，物理学家已经可以通过使用极低温度下的稀有元素原子来使光子间产生相互作用。

但是在最新一期的《物理评论快报》（Physical Review Letters）中，麻省理工的研究者们描述了一种可以使光子在室温下进行相互作用的方法，即使用了一种带有蚀刻了明显模式图样的硅晶体。用物理学术语来说就是这种晶体在光信号传播中引入了「非线性（nonlinearities）」。

来自麻省理工电气工程和计算机科学系（EEACS）的副教授，也是这篇论文的资深作者，Dirk Englund 表示：「所有这些涉及到原子或类原子粒子（atom-like particles）的方法都要求温度极低，而且要求在一个窄频带范围内进行研究。在室温的环境条件下实现单光子级非线性（single-photon-level nonlinearities）一直以来都是一个圣杯（holy grail）。」

在 Englund 的科研团队中，Hyeongrak Choi 是一个来自电气工程和计算机科学系（EEACS）的本科生；Mikkel Heuck 曾是 Englund 实验室的博士后，现在就职于丹麦科技大学（Technical University of Denmark）。

光子独立性

量子计算机控制着一种奇怪的物理特性，叫做「叠加（superposition）」——一个量子粒子在同一时间占据着两种相反的状态。举例说明，一个电子的自旋（spin）（即磁性取向——magnetic orientation）可以同时向上向下；一个光子的极性既可以是垂直的，也可以是水平的。

如果一串量子比特（quantum bits 或 qubits，也就是一个传统计算机中的比特的量子对应）是叠加的，在某种意义上它就可以让多种解决方案在同一时间去解决同一问题，这就是为什么量子计算机可以带来速度提升的原因。

大多数实验中的量子比特使用的是振荡磁场中的囚禁离子、超导电路或者菱形晶体结构中的缺陷（像 Englund 的自己的研究）。然而在所有的这些方法中，叠加（superposition）是难以维持的。

因为光子并不很容易受到与环境的相互作用的影响，而更擅长保持叠加；但是同样基于此种原因，它们也很难被控制。而量子计算需要向量子比特发送控制信号。

这就是这些麻省理工的研究者们的工作方向。如果是一个单光子进入他们的设备，它将会畅通无阻地通过。但如果是两个光子（在正确的量子态中）试图进入设备，它们将会被反射。因此，其中一个光子的量子态可以被认为是可以控制其它量子的量子态的。而且量子信息论现在已经确定：这种类型的简单「量子门（quantum gate）」对于建立通用量子计算机来说是很必要的。

非一致性共振

这些研究者的设备由一种长而窄的矩形硅晶体组成，其上蚀刻了按一定间距隔开的孔。这些孔的大小不一，边缘的最大，越往中心便越小。连接中间两个孔的是一个还要更窄的通道，而在这个中心的是两个同轴的尖锐的尖端。这种孔的排布模式会短暂地将光囚禁在该设备中，而同轴的两个尖端会将受陷的光会聚起来。

图 1：槽型腔（slot cavity）和使用不同宽度的桥连接的槽-桥腔（slot-bridge (SB) cavities）的腔场分布

这些研究者制造出了该设备的原型，并且研究表明和他们的理论模型预测的一样：该设备既能限制光，也能将光的电场集中到一起。但要将该设备做成一个量子门（quantum gate），还需要另一种组件——位于尖端之间的一个电介质层叠。（电介质是指原本绝缘但可以极化的材料，即当在电场中时，其所有的正电荷和负电荷可以对齐在一个方向。）

图 2：电场分布

当光波接近电介质时，其电场会轻微扰动电介质原子的电子。当电子回弹时，它会摇摆数次，就像推动一个秋千一样。这就是研究人员发现的非线性特征。

设备中的孔的尺寸与间距根据特定的光频率——设备的「谐振频率」而定制。而电介质电子的摇摆会改变这个频率。

通常，这种改变是轻微的，可以忽略不计。但研究人员集中了进入光子的电场，从而放大了这种变化。单个光子仍然可以穿越设备，但如果两个光子试图穿过，由于扰动的加剧，它们都会被击退。

实用潜力

这套设备可被调整为谐振频率显着变化仅在试图进入其中的光子具有特定的量子特性（例如极化或相位的特定组合）时才发生。这样以来，一个光子的量子态可以决定另一个光子被处理的方式，即量子逻辑门的基本要求。

Englund 强调，新的研究不会在近期内产生一个可工作的量子计算机，进入原型设备的光仍然会被分散或吸收，而光子的量子态可能会轻微变形。不过其他应用或许在短期内就可以实现。例如，该设备的一个版本可以提供单光子的可靠来源，这将大大推动量子信息与通信科学的发展。

「这项研究独特而令人印象深刻，它展示了光-物质强相互作用，光的本地化，以及在半导体这种微小空间中，光子能够存储相对较长时间，」Raytheon BBN Technologies 的纳米光子学研究员 Mohammad Soltani 说道。「它可以让此前存在疑虑的任务成为可能，如如量子信息的非线性单光子门。它在室温下工作，是固态的，与现有半导体设备兼容。这一研究对量子信息设备等课题而言是最有希望的方向。」

论文：用于单光子非线性的带有超小模量体积的自相似纳米腔设计（Self-Similar Nanocavity Design with Ultrasmall Mode Volume for Single-Photon Nonlinearities）

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.223605

摘要

我们提出了一种具有自相似电磁边界条件（self-similar electromagnetic boundary conditions）的光子晶体纳米振谐腔设计，实现了超小模量体积（Veff/ultrasmall mode volume）。根据边界条件的选择，腔模量中的电能密度可以在空气或电介质区域中最大化。我们用硅-空气一维光子晶体腔来解释这种设计概念，它可以在 λ 约为 1550nm 处达到

的超小模量体积。我们展示了这种设计可以形成极端光集中度，可使得超强 Kerr 非线性，甚至达到单光子级别。这些特性为腔量子电动力学、光谱学和量子非线性光学中开辟了新的方向。

原文链接：http://news.mit.edu/2017/toward-optical-quantum-computing-0616

本文为机器之心编译，转载请联系本公众号获得授权。