Recon Photonics 4-Qubit芯片的封装图像和概念图。图片来源：电子和电信研究所 （ETRI）

一组韩国研究人员成功开发了一种使用光子（光粒子）的集成量子电路芯片。它是一个能够使用光子集成电路芯片控制八个光子的系统。借助该系统，他们可以探索各种量子现象，例如光子相互作用导致的多方纠缠。

ETRI 对硅光子量子电路的广泛研究导致了 2 量子比特和 4 量子比特量子纠缠的演示，实现了 4 量子比特硅光子芯片的最佳性能。这些成就是他们与 KAIST 和意大利特伦托大学合作的结果，并发表在著名的科学期刊 Photonics Research 和 APL Photonics 上。

作为进一步的进步，ETRI 最近使用旨在控制 8 光子量子比特的芯片演示了 6 量子比特纠缠。6 量子比特纠缠代表了基于硅光子芯片的量子态的创纪录成就。

基于光子量子比特的量子电路是目前正在积极研究的用于构建通用量子计算机的最有前途的技术之一。几个光子量子比特可以集成到一个小到指甲壳的微小硅芯片中，并且可以通过光纤将大量这些微小的芯片连接起来，形成一个巨大的量子比特网络，从而实现通用量子计算机。光子量子计算机通过光网络、室温操作和低能耗在可扩展性方面具有优势。

光子量子比特可以使用光子的一对传播路径进行编码，其中一个路径分配为 0，另一个路径分配为 1。对于 4 量子比特电路，需要 8 个传播路径，对于 8 个量子比特，需要 16 个路径。量子态可以在光子芯片上操纵，该芯片包括光子源、滤光片和线性光学开关，最后使用高灵敏度的单光子探测器进行测量。

量子电路的层析成像测量（4 量子比特 GHZ 状态）。图片来源：电子和电信研究所 （ETRI）

8 量子比特芯片包括 8 个光子源和大约 40 个控制光子传播路径的光开关。这 40 个开关中约有一半专门用作线性光量子门。该装置通过使用单光子探测器测量最终量子态，为量子计算机提供了基本框架。

研究小组测量了 Hong-Ou-Mandel 效应，这是一种引人入胜的量子现象，其中从不同方向进入的两个不同光子会相互干扰并沿着同一路径一起传播。在另一个著名的量子实验中，他们在 4 量子比特集成电路 （5mm x 5mm） 上展示了 4 量子比特纠缠态。

最近，他们将研究扩展到使用 8 量子比特集成电路 （10mm x 5mm） 的 8 个光子实验。研究人员计划在今年内制造 16 个量子比特的芯片，然后扩展到 32 个量子比特，作为他们正在进行的量子计算研究的一部分。

ETRI 量子研究部助理副总裁 Yoon Chun-Ju 表示：“我们计划推进我们的量子硬件技术，以提供基于云的量子计算服务。我们的主要目标是开发一个实验室规模的系统，以加强我们在量子计算方面的研究能力。

领导这项成就的 ETRI 量子计算研究部的 Lee Jong-Moo 表示：“量子计算机的实际实施研究在全球范围内非常活跃。然而，要实现实用的量子计算，特别是克服量子过程中噪声引起的计算误差，仍需要进行广泛的长期研究。

更多信息：Jong-Moo Lee 等人，具有高保真度和纯度的可编程硅光子四量子比特系统中的量子态生成和操作，APL Photonics（2024 年）。DOI： 10.1063/5.0207714