尼爾斯-玻爾研究所（Niels Bohr Institute）的科學家與明斯特大學（University of Münster）和波鴻魯爾大學（Ruhr-Universität Bochum）合作，開發出了能夠處理量子系統產生的大量信息的新技術。他們成功地將確定性單光子光源（能以難以置信的高速度和速率產生量子比特）與特製的集成光子電路連接起來。這些電路可以有效、快速地處理量子信息，而不會降低易受影響的量子態。

可編程芯片用於處理單光子傳輸的量子信息。每個粉紅色小點代表一個單光子，它們之間的聯繫代表量子糾纏–這是不同光子之間共享量子信息的方式圖片來源：Stefano Paesani

這一突破為創造光子量子設備鋪平了道路，這些設備可以分析和模擬複雜的量子系統，例如生物分子的振動動力學。這項研究發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

哥本哈根大學尼爾斯-玻爾研究所的Peter Lodahl 教授和量子光子學研究小組在這一領域已經工作了近二十年。簡而言之，就是利用單光子（光的最小部分）來編碼量子信息。這是一個快速發展的領域，2022 年秋天就展示了單光子加密通信鏈路，最近對衍生企業Sparrow Quantum 的投資也創下了紀錄。實現這一切的核心是該小組多年來開發和改進的光子源。目前，這些光子源具有無與倫比的控制、精度和質量，為量子技術的新研發打開了大門。

一提到”量子”這個詞，人們往往就會聯想到”計算機”–一個極其強大的計算平台，具有處理複雜問題的能力。

彼得-洛達爾說，與這一成果相關的工作指明了他們稱之為”量子模擬器”的方向。量子模擬器是一種特殊用途的計算機，通過處理經典計算機難以處理的量子信息（量子比特）來模擬量子系統。”量子信息的處理要求經典計算機的處理能力在量子比特數量增加時呈指數增長。這意味著，即使是相當簡單的量子力學問題，也無法在經典計算機上解決”，這項成果的主要研究人員之一斯特凡諾-派薩尼（Stefano Paesani）說。

處理”量子信息意味著什麼？ 這就是跨學科元素的關鍵所在。

在諾和諾德基金會項目”用於生物化學的固態量子模擬器（SolidQ）”的框架內，光子在光子電路中相互作用，可以用來描述生物化學過程的特徵。可以利用一個系統（光子）來了解另一個系統（生物分子），因為光子量子模擬器可以處理描述該系統的複雜量子信息。挑戰之一在於理解兩個複雜量子系統之間的聯繫。

量子模擬器依賴於不同量子系統之間的一致性，可以通過研究一個系統來了解另一個系統，也就是說，你可以將一個系統”映射”到另一個系統。然而，對複雜系統的初步了解至關重要。例如，光子和分子的振動動力學之間存在著一種自然的映射： 彼得-洛達爾說：”當分子振動時，它的演變是由描述通過電路發送光子的相同量子力學運算來描述的。”

目前的研究工作面臨的挑戰是如何處理以光速飛逝的大量光子。處理速度必須非常快，而且不能有任何損失。不能出現太多錯誤。

在過去的兩年裡，這些研究小組與明斯特大學合作，開發出了能夠處理來自光子源的量子比特的光子電路，並使這兩個系統完美地結合在一起。諾和諾德基金會的SolidQ 項目一直致力於優化光子的處理過程。

與明斯特的合作是一個很好的例子，說明研究界已經邁出了第一步。隨後，他們制定了技術升級的”路線圖”，合作中成功地實現的光子電路其效率和速度足以跟上光子源，也就是說應用之門正在打開。