Bernien实验室的研究人员，包括研究生Noah Glachman（左）和Shankar Menon，已经发现了如何结合两种强大的技术——捕获原子阵列和光子器件——来产生用于量子计算、模拟和网络的先进系统。来源：约翰·齐奇

量子信息系统提供比标准计算机更快、更强大的计算方法，有助于解决世界上许多最棘手的问题。然而，要实现这一最终承诺，将需要比科学家尚未建造的更大、更互联的量子计算机。事实证明，将量子系统扩展到更大的尺寸，并连接多个系统是具有挑战性的。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员已经发现了如何结合两种强大的技术——捕获原子阵列和光子器件——来产生用于量子计算、模拟和网络的先进系统。新的组合将允许构建大型量子系统，这些量子系统可以很容易地扩大规模，通过利用光子学互连单个原子阵列。

“我们已经合并了两种技术，在过去，这两种技术实际上并没有太大关系，”分子工程助理教授，发表在Nature Communications上的新研究的资深作者Hannes Bernien说。“看到我们如何以这种方式扩展量子系统不仅从根本上很有趣，而且它也有很多实际应用。

被困在光镊中的中性原子阵列——高度聚焦的激光束，可以将原子固定在适当的位置——是一种越来越流行的构建量子处理器的方法。当这些中性原子网格以特定序列激发时，可以进行复杂的量子计算，这些计算可以扩展到数千个量子比特。然而，它们的量子态是脆弱的，很容易被破坏，包括被旨在以光子形式收集数据的光子设备破坏。

“由于技术上的根本差异，将原子阵列连接到光子器件一直非常具有挑战性。原子阵列技术依赖于激光器进行生成和计算，“PME研究生，新工作的共同第一作者Shankar Menon说。“一旦你将系统暴露在半导体或光子芯片中，激光就会散射，从而导致原子的捕获、检测和计算问题。

由Bernien实验室成员设计的原子 - 纳米光子界面的渲染图，该界面将允许构建大型量子系统，这些量子系统可以很容易地扩大规模。图片来源：伯尼安实验室，普利兹克分子工程学院

在这项新工作中，Bernien的团队开发了一种新的半开放芯片几何形状，允许原子阵列与光子芯片接口，克服了这些挑战。借助新平台，可以在计算区域中进行量子计算，然后将包含所需数据的原子中的一小部分移动到新的互连区域，以实现光子芯片集成。

“我们有两个独立的区域，原子可以在它们之间移动，一个远离光子芯片进行计算，另一个靠近光子芯片，用于互连多个原子阵列，”共同第一作者，PME研究生Noah Glachman解释说。“这种芯片的设计方式，它与原子阵列的计算区域的相互作用最小。

在互连区域，量子比特与微观光子器件相互作用，该光子器件可以提取光子。然后，光子可以通过光纤传输到其他系统。最终，这意味着许多原子阵列可以互连，形成比单个阵列更大的量子计算平台。

新系统的另一个优势 - 可能导致特别快速的计算能力 - 是许多纳米光子腔可以同时连接到一个单一的原子阵列。

“我们可以同时拥有数百个这样的腔体，它们都可以同时传输量子信息，”Menon说。“这导致了互连模块之间信息共享的速度大幅提高。”

虽然该团队展示了捕获原子并在区域之间移动的可行性，但他们正在计划未来的研究，着眼于该过程中的其他步骤，包括从纳米光子腔中收集光子，以及长距离产生纠缠。

更多信息：Shankar G. Menon 等人，具有无背景成像的集成原子阵列纳米光子芯片平台，《自然通讯》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-50355-4

期刊信息： Nature Communications