光子学“照亮”量子创新：趋势、挑战与未来机遇

光子盒研究院

一提到“量子技术”这个词汇，你脑海中会不会浮现出一些画面呢？

或者说“量子计算机”呢？

——你很有可能会想到那些大型稀释制冷机，里面悬挂着金光闪闪的吊灯，这是IBM、谷歌等量子计算公司用于冷却和操作超导量子比特的设备。

然而，当我们谈论量子计算机时，一个经常被忽视的核心技术是光子学。

鲍勃·苏特博士（Dr. Bob Sutor）在纽约IBM研究院工作了二十多年，领导着IBM在量子计算领域的工作。

目前，苏特博士是Infleqtion公司的副总裁兼首席量子倡导者。

他认为：“光子学是巨大的。光子学是未来量子基础设施的核心。如果光子学产业无法良好发展，将无法降低光子学集成电路等产品的成本和尺寸，从而无法在玩具大小的机器之外发挥作用。”

本文的目的在于阐明光子学目前在新兴量子领域的多个方面发挥作用，如量子计算、量子通信与网络以及量子传感，并探讨未来的挑战和机遇。

使用光子技术的量子技术支柱概览，其中光子技术的使用以黄色标出

上图中用黄色标注了每个支柱中利用光子学的子部分。从图中可以看出，超过三分之二的领域都在利用光子学，光子学在量子技术领域发挥着重要作用。

科学家们正在深入研究各种量子比特模式，以实现通用容错量子计算机，而在这些模式中，光子学被视为核心工具。

光子学具备广泛的功能，包括应用门操作、将原子限制在阵列中，以及通过捕获离子或中性原子的微弱荧光或无荧光检测量子比特状态（0或1）。

光量子计算等比特模式通过利用光子的特性来构建量子比特，从而充分发挥了光子的潜能。

光量子计算的愿景是在芯片上实现从光源到光学，再到光子探测器的整个光学平台。

在量子比特模式的发展中，规模和保真度是光子元件开发的主要推动力，例如捕获离子、中性原子和光量子比特。

目前，运行一个由数十个离子组成的小型离子链所需的陷阱离子基础设施通常需要占用两个光学台。

光子集成电路（PIC）等光子元件的发展引起了捕获离子开发者的关注，因为这有助于提高该模式的可扩展性。

通过在精确控制每个离子的同时将更多的离子聚集在一起，有助于扩展处理器的规模，而无需大量繁琐的基础设施。

在经典光通信网络中，光子一直是一种经得起考验的长距离信息传输媒介。

在量子通信和网络领域，光子的吸引力在于它能够实现量子比特的远距离信息传输，并在存在窃听者监听时及时通知用户。

设备如量子随机数发生器（QRNG）等，能够生成用于量子通信协议的真正随机密钥，也可以通过光源和探测器来实现。

光子学在量子密钥分发和量子网络硬件中发挥着关键作用。这包括在光纤中发射光子的光子源，通过激发激光器或泵浦激光器实现，以及在光纤接收端检测光子的探测器，从单光子探测器到光电二极管等各种形式。

由于光纤损耗和缺乏量子中继器的限制，陆地量子网络受到一定的距离限，。而空间和卫星网络则受到孔径和衍射损耗的制约。

在此背景下，光子元件的研发主要受到对长距离光子保存能力的需求驱动。

不同类型的量子网络

量子计量与传感领域的核心目标是在环境中精确探测电场、磁场、引力场等测量值，以及时间和定位。

量子传感器通过荧光传递测量信息，如基于氮空位（NV）的磁力计，其中荧光强度与存在的磁场强度相关。

现在，光子传感器元件的发展主要受到尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）等现场部署应用需求的推动。

尽管目前量子系统市场规模尚不高，但光子元件市场却呈现广阔前景。

在量子系统材料清单（BOM）成本中，一半以上用于激光器，其余用于探测器、调制器等组件。

当前，光子元件的主要市场在研究领域，其中激光器市场估计为1.71亿美元，而光子元件市场（包括探测器、调制器等）市场估计为3300万美元。

预计到2025年，原始设备制造商生产的量子产品中，光子元件的市场份额将超过研究用光子元件。

光子技术在量子技术领域面临的挑战之一是构建包含量子密钥分发和某些光子量子计算应用所需功能的单光子源。

光子集成电路（PIC）被认为是量子技术的关键。

然而，PIC仍面临一些挑战，如在芯片上集成所有光学元件，包括激光器和探测器，以及光子集成电路生产线的成本。

这些生产线需要大规模生产以控制成本，而量子应用的扩展及其何时扩展仍然不确定。

总之，随着光子元件的不断进步，将有助于实现量子系统，并为迎接量子2.0时代构建更为先进的量子系统。

参考链接：

[1]https://thequantuminsider.com/2024/01/25/tqi-exclusive-photonics-illuminating-quantum-technology-trends-challenges-and-opportunities/

[2]https://news.ucsb.edu/2019/019679/pushing-quantum-photonics

[3]https://thequantumaviary.blogspot.com/2021/03/heres-how-ion-trap-quantum-computers.html