激光技术的“魔杖”

一种能够产生量子比特的“压缩”光源——比特的量子等价物——代表了创造基于光的实用量子计算机竞赛中的一个突破。日本电信公司NTT与东京大学于2021年12月宣布了这一进展。

量子计算机是计算的未来，因为它们在某些类型的问题上大大优于传统计算机。但是，一台典型的笔记本电脑的RAM中可能有数百亿或数千亿比特，而今天大多数量子计算机的量子比特数量有限，因为它们需要超冷超导体来保护电子自旋态不受外界影响。相比之下，NTT基于光的技术在室温下运行，可以与光纤耦合，有可能使单个激光产生数百个量子比特。

NTT设备技术实验室的杰出研究员Takeshi Umeki解释说:“基于光学的量子计算方法具有可扩展的巨大优势。”“这对于生产具有容错硬件的量子计算机来说意义重大。”

NTT的压缩光源的秘密在于一种被称为周期性极化铌酸锂(PPLN)的特殊晶体。它可以将入射的激光转换成不同的颜色，允许进入传统激光无法到达的电磁波谱部分，从而扩大了激光的应用范围。

尖端的变化

当Yoshiki Nishida在20世纪90年代加入NTT时，他致力于PPLN波导——一种能以最小能量损失实现波长转换的器件。凭借材料科学的背景，Nishida的任务是提高全光波长转换器在电信应用中的性能。

但当2001年IT“。com”泡沫破裂时，对这种波长转换器的需求急剧下降。为了改变方向，NTT决定瞄准非传统市场，如生物医学领域，当时该领域缺乏可靠的黄光激光器来成像荧光蛋白等化合物。

NTT波导最有趣的方面之一是，“我们可以通过选择入射泵浦激光的波长来制造任何颜色，”NTT电子光子学组件业务集团助理经理Nishida指出。这种能力使研究人员和工程师能够针对特定的应用调整激光波长。

PPLN波导可以实现这一壮举，这要归功于制造技术，该技术在铌酸锂晶圆上创建点的模式，其中晶体的电偶极子交替指向向上或向下。这种布局非常理想，例如通过结合来自高强度激光器的两个输入光子产生不同颜色的输出光子。

尽管研究人员可以计算出产生黄光激光器所需的双色输入，但典型的大体积PPLN晶体无法产生足够的输出光用于实际应用。“这个想法是存在的，但我们需要一种方法将其效率提高1000倍以上，”西田回忆道。

效率问题的解决方案出现在锋利的锯子的末端。在将PPLN晶圆直接粘接到基板上后，该团队使用金刚石刀片在晶圆上机械地切割出狭窄的脊线。这些脊线将输入光聚焦到一个非常小的区域，这使得非线性相互作用更有利。

这种机械切割波导的表面经过抛光，传播损耗低。西田说，当这一概念首次公布时，学术界感到惊讶。另一个优点是圆形的输出模式，使得光可以很容易地耦合到光纤上。

函数的增益

“当时还没有关于切割波导的研究。我们这样做是因为蚀刻和化学气相沉积技术还不存在，”西田说。“当客户看到这种方法的功能时，他们就对这种方法感兴趣了。它非常紧凑和坚固，因为与典型的激光器不同，它不需要特殊的腔结构。”

NTT在2004年展示了黄色激光后，激光共聚焦显微镜制造商迅速采用了这项技术。此外，西田和他的项目团队还因在非电信市场创造新业务而获得了NTT的内部奖项。

当研究人员开始意识到PPLN波导在操纵和限制光方面的能力时，他们将该技术应用于超精密光学时钟和激光冷却技术等项目，以使原子接近绝对零度。梅木就是这样一位科学家，他于2004年加入NTT，希望开发出现实的PPLN设备。

第一次被分配优化一种新技术，使用等离子蚀刻而不是锯来制造PPLN脊，Umeki很快就把他的才能转向了PPLN技术的电信应用。这些技术包括在长距离系统中降低噪声的放大技术，以及参数非线性过程，其中单个输入光子被分裂成两个新的光子，其颜色波长仅受能量守恒原理的限制。

“参数化设备对用户来说真的很有帮助，”Umeki指出。“只要连接一根光纤，就可以注入激光束。”

一体化解决方案

梅木帮助NTT将他们的光学技术应用于量子计算。2016年，该团队报告了制造“Ising机器”的进展，这是一种通过模拟磁自旋网络来解决复杂优化问题的计算机。这种方法涉及创建耦合光脉冲网络，由PPLN波导产生，以表示光纤环内的局部自旋。

NTT的光学Ising机器能够通过搜索强集体振荡模式来解决2000个节点的优化问题，这表明了最小能量配置。这种可伸缩的架构避免了物理自旋系统的挑战。到2021年，NTT团队已经使用类似的光学技术解决了多达10万个节点的问题。

PPLN波导可以在广泛的技术发展中发挥重要作用，包括量子计算机、光挤压器和宽带光通信网络。Umeki说:“我把它称为一根魔杖——你感觉就像一个巫师，因为它有很多应用，从超低噪声空间通信到波长转换到光学量子计算机。”

本文由NTT(日本电报电话公司)协助制作。