桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）和亞利桑那州立大學（Arizona State University）正在透過將光學系統微型化為晶片大小的整合微系統來增強量子技術。這項夥伴關係旨在利用先進的光子技術實現量子運算和安全通信，量子合作組織資助的一項新舉措突顯了這一點。

桑迪亞國家實驗室正在與亞利桑那州立大學合作，推進光如何攜帶量子資訊。 桑迪亞正在開發聲光設備技術，而不是使用典型的大型光學台，例如上面的八英寸晶片，它可以選擇性地反射不同顏色的光。 圖片來源：Craig Fritz／桑迪亞國家實驗室

量子合作創新

桑迪亞國家實驗室和亞利桑那州立大學這兩家領先的研究機構正在合作，透過將大型光學系統縮小為緊湊的整合微系統來推動量子技術的發展。

桑迪亞專門從事整合光子學研究的物理學家尼爾斯-奧特斯特羅姆（Nils Otterstrom）正在領導將這些光學系統微型化的工作。 這項突破有望提高性能和可擴展性，應用範圍從先進計算到安全通訊。

“我們在整合光子學領域所做的是開發新型元件和探索元件物理，以提供我們進行基礎研究和創建下一代量子微系統所需的所有功能。我們在桑迪亞的微系統工程、科學和應用綜合體（MESA）中擁有世界一流的製造能力和高度的可自訂性，這使我們能夠獨一無二地影響最前沿的科學和技術”。奧特斯特倫說，他在耶魯大學獲得應用物理學博士學位，並作為哈里-杜魯門獎學金得主加入桑迪亞。

桑迪亞國家實驗室物理學家尼爾斯-奧特斯特羅姆（Nils Otterstrom）在量子光子實驗室對準整合光子晶片。 這是與亞利桑那州立大學正在進行的工作的一部分，目的是將整合光子學和頻率束量子資訊處理的力量結合起來。 資料來源：克雷格-弗里茨/桑迪亞國家實驗室

量子網路轉變

奧特斯特羅姆一直在與亞利桑那州立大學量子網路高級總監喬-盧肯斯（Joe Lukens）合作。 Lukens 是利用光的頻率為量子運算和網路系統傳輸量子資訊的頂尖專家。

這項工作最近透過量子合作組織資助的一項新的合作研發協議正式確定下來。 量子合作組織匯集了包括國家實驗室在內的學術和研究機構，共同推進量子資訊和技術研究以及教育和人才培養。

「量子合作組織的靈感來自對量子未來的認識。 如果我們要取得成功，單一研究人員甚至單一機構都無法完成；這是不可能的，」盧肯斯說。 “該合作組織是一個由對建立量子資訊技術感興趣的志同道合者組成的意向性網絡，是我們聯繫和合作的一種方式”。

亞利桑那州政府為量子合作組織提供資金，亞利桑那州立大學負責管理此計畫。

亞利桑那州立大學量子網路高級主管、研究教授喬-盧肯斯（Joe Lukens）說，與桑迪亞公司的合作有可能大大推進量子網路的發展。 亞利桑那州立大學領導一個全國性的量子合作組織，以加速量子領域的發展。 資料來源：亞利桑那州立大學

從龐大的系統過渡到整合晶片

在與桑迪亞公司達成協議之前，盧肯斯主要研究光纖系統，從事頻賓量子資訊處理工作。 他解釋說，量子位元存在於各種平台中，包括光子學。

盧肯斯說：”在頻率方法中，量子位元是一個光子，它可以同時擁有兩種不同波長或顏色的光。0對應一種顏色，1對應另一種顏色。這種編碼對量子通訊非常有利。

這項工作以前是在光學工作台上使用商用光波元件完成的。

「我們使用的是大型笨重的系統。 它們的光子損耗很高，非常昂貴，而且佔用空間很大，」盧肯斯說。 “我認為，在頻率盒編碼方面，我已經用桌面設備完成了我能做的一切。”

這正是桑迪亞的整合光子學資源發揮作用的地方。 「桑迪亞擁有世界上最靈活的代工廠之一，不僅在微電子領域，在光子學領域也是如此，」盧肯斯在談到MESA 綜合體時說。 “桑迪亞可以製造小型光子積體電路，實現與大型平方公尺尺寸光學台相同的功能”。

桑迪亞國家安全光子中心提供各種組件和平台技術，在整合光子學領域擁有50 多項已獲授權的專利組合。

量子光子學的進步

空間分束器是量子光子學的基本組件，它能接收光子並將其分成兩個方向。

奧特斯特羅姆說：”在這種頻率編碼模式中，我們需要製造特殊類型的分束器，將一種顏色的光分成兩種顏色。我們在桑迪亞與耶魯大學彼得-拉基奇（Peter Rakich）教授的團隊合作開發的，就是這些非常有效率的新型相位調製器設備。

這些設備以懸浮矽波導為基礎，傳輸光和千兆赫茲聲波，這些聲波由共同整合的氮化鋁機電換能器產生。

“結果是高度靈活的光機電結構，能以聲光方式將一個光子分成多個頻率。 這樣就可以在更高的維度空間上進行量子資訊處理，」奧特斯特羅姆說。 “你可以把它想像成光的顏色實際上可以攜帶量子訊息。”

未來前景與應用

盧肯斯說，他的目標是將工作從原理驗證實驗轉向量子網路的部署。

“為了做到這一點，我們需要比現在的商用設備損耗更低的系統，我們還需要更便宜一點的系統，」盧肯斯說。 “如果我們能在晶片上實現這些功能，那麼現在我們談論的就是一種更實用、更合理的量子網路方式。

奧特斯特羅姆在指導盧肯斯購買顯微鏡和光學支架等組件，以便在該大學實驗室的試驗平台上使用桑迪亞公司製造的光子積體電路。

量子合作的里程碑

合作初見成效。 桑迪亞實驗室指導研究計畫已撥款1700萬美元，用於推進該團隊在基於頻率的量子光子學方面的工作。 這筆資金是以一項名為”糾錯光子整合量子位元”（EPIQ）的大挑戰計劃的形式提供的。

該計畫的首席研究員保羅-戴維德（Paul Davids）說：”如果沒有桑迪亞和亞利桑那州立大學之間的合作，我們很可能不會有現在這種形式的EPIQ大挑戰。尼爾斯與喬-盧肯斯（Joe Lukens）的接觸開啟了我們對頻率編碼光子量子比特相關想法的首次探索。核心。

這筆資金將使與亞利桑那州立大學的早期合作中探索的設備物理學得以大規模實施和集成，從而創造出一種可以糾錯的有用光子量子位元。

支援量子技術開發

除了參與量子合作組織，桑迪亞也作為西南先進原型設計中心的核心合作夥伴，提供MESA 建築群的微電子原型設計能力。 西南先進原型樞紐也由亞利桑那州立大學領導，是全國八個微電子共享樞紐之一。 微電子公共中心由美國國會頒布的《CHIPS 和科學法案》資助，旨在提升美國半導體產業的競爭力，並減少對外國供應商的依賴。

編譯自/ SciTechDaily