硅微谐振器（左，SEM图像）为相距21 GHz的频率纠缠光子对提供参数宽带源，以实现频率编码的大规模量子网络。结果是一个无可信节点、完全连接的网络，其中用户通过双量子比特频率纠缠状态链接。图片来源：Advanced Photonics （2024）。DOI： 10.1117/1.AP.6.3.036003

在量子技术的一次重大飞跃中，研究人员在利用集成光子学中的频率维度方面取得了里程碑式的成就。这一突破不仅有望在量子计算方面取得进步，而且为超安全的通信网络奠定了基础。

集成光子学，即在硅芯片上的微小电路中操纵光，由于其可扩展性和与现有电信基础设施的兼容性，长期以来一直为量子应用带来希望。

在发表在Advanced Photonics上的一项研究中，来自纳米科学和纳米技术中心（C2N）、巴黎电信公司（Télécom Paris）和意法半导体（STMicroelectronics）的研究人员通过开发尺寸小于0.05 mm的硅环谐振器，克服了以前的限制2能够生成 70 多个不同的频道，间隔为 21 GHz。

这允许仅使用三个标准电光设备对 34 个单量子比特门进行并行化和独立控制。该设备可以有效地生成易于操纵的频仓纠缠光子对，这些光子对是构建量子网络的关键组成部分。

关键的创新在于他们能够利用这些狭窄的频率分离来创建和控制量子态。使用集成的环形谐振器，他们通过一种称为自发四波混频的过程成功地产生了频率纠缠态。这种技术允许光子相互作用并纠缠在一起，这是构建量子电路的关键能力。

这项研究的与众不同之处在于它的实用性和可扩展性。通过利用他们的硅谐振器提供的精确控制，研究人员展示了仅使用三个现成的电光设备即可同时操作 34 个单量子比特门。这一突破使创建复杂的量子网络成为可能，其中多个量子比特可以独立和并行地操作。

为了验证他们的方法，该团队在C2N进行了实验，展示了在不同频率箱中的17对最大纠缠量子比特上的量子态断层扫描。这种详细的表征证实了它们量子态的保真度和相干性，标志着迈向实用量子计算的重要一步。

也许最值得注意的是，研究人员通过建立他们认为是频域中第一个完全连接的五用户量子网络，在网络方面取得了里程碑式的成就。这一成就为量子通信协议开辟了新的途径，量子通信协议依赖于量子态编码信息的安全传输。

展望未来，这项研究不仅展示了硅光子学在推进量子技术方面的力量，而且为量子计算和安全通信的未来应用铺平了道路。随着技术的不断进步，这些集成式光子学平台可以彻底改变依赖安全数据传输的行业，提供前所未有的计算能力和数据安全性。

C2N和Télécom Paris的通讯作者Antoine Henry博士评论说：“我们的工作突出了如何利用频分箱进行量子信息的大规模应用。我们相信，它为可扩展的频域架构提供了视角，以实现高维和资源高效的量子通信。

Henry指出，电信波长的单光子是实际应用的理想选择。利用现有的光纤网络与集成光子学技术，可以实现小型化、稳定性和可扩展性，从而增加设备的复杂性，从而高效和定制的光子对生成，以实现在电信波长下进行频率编码的量子网络。

这项研究的影响是巨大的。通过在集成光子学中利用频率维度，研究人员解锁了关键优势，包括可扩展性、噪声抗原力、并行化以及与现有电信多路复用技术的兼容性。随着世界越来越接近实现量子技术的全部潜力，C2N、Telecom Paris 和 STM 研究人员报告的这一里程碑就像一盏灯塔，指引着通往量子网络提供安全通信的未来的道路。

更多信息：Antoine Henry 等人，频域量子门的并行化：21 GHz 硅微谐振器生成的频率纠缠光子对的操纵和分布，Advanced Photonics （2024）。DOI： 10.1117/1.AP.6.3.036003.www.spiedigitallibrary.org/jou ... .6.3.036003.完整#_=_

期刊信息： Advanced Photonics