研究人员利用模块化波导装置产生高质量的量子光

研究人员开发了一种新的波导光学参数放大器（OPA）模块（如图），他们将其与专门设计的光子探测器相结合，以产生可用于量子实验的强非经典光。图片来源：东京大学Kan Takase

研究人员首次使用基于模块化波导的光源成功生成了强非经典光。这一成就代表了朝着创造更快、更实用的光学量子计算机迈出的关键一步。

“我们的目标是通过开发更快的量子计算机来显着改善信息处理，这些计算机可以执行任何类型的计算而不会出错，”东京大学的研究小组成员Kan Takase说。“虽然有几种方法可以创建量子计算机，但基于光的方法很有希望，因为信息处理器可以在室温下运行，计算规模可以很容易地扩展。

在Optica Publishing Group期刊Optics Express中，来自日本的多机构研究小组描述了他们为量子实验创建的波导光学参数放大器（OPA）模块。将这种装置与专门设计的光子探测器相结合，使他们能够产生一种称为薛定谔猫的光状态，这是相干状态的叠加。

“我们产生量子光的方法可用于提高量子计算机的计算能力，并使信息处理器更加紧凑，”Takase说。“我们的方法优于传统方法，模块化波导OPA易于操作并集成到量子计算机中。

生成强非经典光

连续波挤压光用于产生执行量子计算所需的各种量子态。为了获得最佳的计算性能，挤压光源必须表现出非常低的光损耗水平并且是宽带的，这意味着它包括宽范围的频率。

“我们希望增加光学量子计算机的时钟频率，原则上可以实现太赫兹频率，”Takase说。“更高的时钟频率可以更快地执行计算任务，并允许缩短光电路中的延迟线。这使得光学量子计算机更加紧凑，同时也使开发和稳定整个系统变得更加容易。

研究人员开发了一种新的波导光学参数放大器（OPA）模块，他们将其与专门设计的光子探测器（如图）相结合，以产生可用于量子实验的强非经典光。图片来源：东京大学Kan Takase

OPA使用非线性光学晶体来产生挤压光，但传统的OPA不会产生具有更快量子计算所需的特性的量子光。为了克服这一挑战，东京大学和NTT公司的研究人员开发了一种基于波导型器件的OPA，该器件通过将光限制在窄晶体中来实现高效率。

通过精心设计波导并通过精密加工制造，他们能够创建一种传播损耗比传统器件小得多的OPA器件。它也可以模块化，用于量子技术的各种实验。

设计合适的探测器

OPA设备旨在产生电信波长的挤压光，这是一个往往表现出低损耗的波长区域。为了完成该系统，研究人员需要一个在电信波长下工作的高性能光子探测器。然而，基于半导体的标准光子探测器无法满足此应用的性能要求。

因此，东京大学和国家信息通信技术研究所（NICT）的研究人员开发了一种专门用于量子光学的探测器。新型超导纳米带光子探测器（SNSPD）使用超导技术来检测光子。

“我们将新的波导OPA与这种光子探测器相结合，以产生一种高度非经典或量子的光状态，称为薛定谔猫，”Takase说。“产生这种状态，这在传统的低效率波导OPA中是困难的，证实了我们的波导OPA的高性能，并开辟了将该器件用于各种量子实验的可能性。

研究人员现在正在研究如何将高速测量技术与新的波导OPA相结合，以更接近他们的超快光学量子计算目标。