桑迪亚国家实验室与亚利桑那州立大学正在设法让光携带量子信息

桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）和亚利桑那州立大学（Arizona State University）正在通过将光学系统微型化为芯片大小的集成微系统来增强量子技术。这一伙伴关系旨在利用先进的光子技术实现量子计算和安全通信，量子合作组织资助的一项新举措突出了这一点。

桑迪亚国家实验室正在与亚利桑那州立大学合作，推进光如何携带量子信息。 桑迪亚正在开发声光设备技术，而不是使用典型的大型光学台，例如上面的八英寸晶片，它可以选择性地反射不同颜色的光。 图片来源：Craig Fritz/桑迪亚国家实验室

量子合作创新

桑迪亚国家实验室和亚利桑那州立大学这两家领先的研究机构正在合作，通过将大型光学系统缩小为紧凑的集成微系统来推动量子技术的发展。

桑迪亚专门从事集成光子学研究的物理学家尼尔斯-奥特斯特罗姆（Nils Otterstrom）正在领导将这些光学系统微型化的工作。 这一突破有望提高性能和可扩展性，应用范围从先进计算到安全通信。

"我们在集成光子学领域所做的是开发新型器件和探索器件物理，以提供我们进行基础研究和创建下一代量子微系统所需的所有功能。 我们在桑迪亚的微系统工程、科学和应用综合体（MESA）中拥有世界一流的制造能力和高度的可定制性，这使我们能够独一无二地影响最前沿的科学和技术"。奥特斯特伦说，他在耶鲁大学获得应用物理学博士学位，并作为哈里-杜鲁门奖学金获得者加入桑迪亚。

桑迪亚国家实验室物理学家尼尔斯-奥特斯特罗姆（Nils Otterstrom）在量子光子实验室对准集成光子芯片。 这是与亚利桑那州立大学正在进行的工作的一部分，目的是将集成光子学和频率束量子信息处理的力量结合起来。 资料来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室

量子网络转变

奥特斯特罗姆一直在与亚利桑那州立大学量子网络高级总监乔-卢肯斯（Joe Lukens）合作。 Lukens 是利用光的频率为量子计算和网络系统传输量子信息的顶尖专家。

这项工作最近通过量子合作组织资助的一项新的合作研发协议正式确定下来。 量子合作组织汇集了包括国家实验室在内的学术和研究机构，共同推进量子信息和技术研究以及教育和人才培养。

"量子合作组织的灵感来源于对量子未来的认识。 如果我们要取得成功，单个研究人员甚至单个机构都无法完成；这是不可能的，"卢肯斯说。"该合作组织是一个由对建立量子信息技术感兴趣的志同道合者组成的意向性网络，是我们联系和合作的一种方式"。

亚利桑那州政府为量子合作组织提供资金，亚利桑那州立大学负责管理该项目。

亚利桑那州立大学量子网络高级主管、研究教授乔-卢肯斯（Joe Lukens）说，与桑迪亚公司的合作有可能大大推进量子网络的发展。 亚利桑那州立大学领导着一个全国性的量子合作组织，以加速量子领域的发展。 资料来源：亚利桑那州立大学

从庞大的系统过渡到集成芯片

在与桑迪亚公司达成协议之前，卢肯斯主要研究光纤系统，从事频宾量子信息处理工作。 他解释说，量子比特存在于各种平台中，包括光子学。

卢肯斯说："在频率方法中，量子比特是一个光子，它可以同时拥有两种不同波长或颜色的光。0对应一种颜色，1对应另一种颜色。 这种编码对量子通信非常有利。 它能很好地在光纤中传输。"

这项工作以前是在光学工作台上使用商用光波元件完成的。

"我们使用的是大型笨重的系统。 它们的光子损耗很高，非常昂贵，而且占用空间很大，"卢肯斯说。"我认为，在频率盒编码方面，我已经用桌面设备完成了我能做的一切。"

这正是桑迪亚的集成光子学资源发挥作用的地方。"桑迪亚拥有世界上最灵活的代工厂之一，不仅在微电子领域，在光子学领域也是如此，"卢肯斯在谈到 MESA 综合体时说。"桑迪亚可以制造小型光子集成电路，实现与大型平方米尺寸光学台相同的功能"。

桑迪亚国家安全光子中心提供各种组件和平台技术，在集成光子学领域拥有 50 多项已获授权的专利组合。

量子光子学的进步

空间分束器是量子光子学的基本组件，它能接收光子并将其分成两个方向。

奥特斯特罗姆说："在这种频率编码模式中，我们需要制造特殊类型的分束器，将一种颜色的光分成两种颜色。我们在桑迪亚与耶鲁大学彼得-拉基奇（Peter Rakich）教授的团队合作开发的，就是这些非常高效的新型相位调制器设备。"

这些设备以悬浮硅波导为基础，传输光和千兆赫兹声波，这些声波由共同集成的氮化铝机电换能器产生。

"其结果是高度灵活的光机电结构，能以声光方式将一个光子分成多个频率。 这样就可以在更高的维度空间上进行量子信息处理，"奥特斯特罗姆说。"你可以把它想象成光的颜色实际上可以携带量子信息。"

未来前景与应用

卢肯斯说，他的目标是将工作从原理验证实验转向量子网络的部署。

"为了做到这一点，我们需要比现在的商用设备损耗更低的系统，我们还需要更便宜一点的系统，"卢肯斯说。"如果我们能在芯片上实现这些功能，那么现在我们谈论的就是一种更实用、更合理的量子网络方式。

奥特斯特罗姆在指导卢肯斯购买显微镜和光学支架等组件，以便在该大学实验室的试验平台上使用桑迪亚公司制造的光子集成电路。

量子合作的里程碑

合作初见成效。 桑迪亚实验室指导研究计划已拨款1700万美元，用于推进该团队在基于频率的量子光子学方面的工作。 这笔资金是以一项名为"纠错光子集成量子位"（EPIQ）的大挑战计划的形式提供的。

该项目的首席研究员保罗-戴维德（Paul Davids）说："如果没有桑迪亚和亚利桑那州立大学之间的合作，我们很可能不会有现在这种形式的EPIQ大挑战。 尼尔斯与乔-卢肯斯（Joe Lukens）的接触开启了我们对频率编码光子量子比特相关想法的首次探索。 他在这一领域的深思熟虑的领导以及乔-卢肯斯之前的工作和专业知识是 EPIQ 大挑战的核心。"

这笔资金将使与亚利桑那州立大学的早期合作中探索的设备物理学得以大规模实施和集成，从而创造出一种可以纠错的有用光子量子比特。

支持量子技术开发

除了参与量子合作组织，桑迪亚还作为西南先进原型设计中心的核心合作伙伴，提供 MESA 建筑群的微电子原型设计能力。 西南先进原型枢纽也由亚利桑那州立大学领导，是全国八个微电子共享枢纽之一。 微电子公共中心由美国国会颁布的《CHIPS 和科学法案》资助，旨在提升美国半导体行业的竞争力，减少对外国供应商的依赖。