在量子技術的一次重大飛躍中，研究人員在利用集成光子學的頻率維度方面取得了里程碑式的進展。這一突破不僅有望推動量子計算的發(fā)展，還為超安全通信網絡奠定了基礎。

集成光子學是在硅芯片上的微小電路中操縱光，由于其可擴展性和與現(xiàn)有電信基礎設施的兼容性，長期以來一直為量子應用帶來希望。

在發(fā)表于《先進光子學》（Advanced Photonics）的一項研究中，來自納米科學與納米技術中心（C2N）、巴黎電信公司（Télécom Paris）和意法半導體公司（STM）的研究人員克服了以往的限制，開發(fā)出了硅環(huán)諧振器，其尺寸小于 0.05 平方毫米，能夠產生 70 多個不同的頻率通道，間隔 21 千兆赫。

這樣，只需使用三個標準電光器件，就能并行和獨立控制 34 個單量子比特門。該設備可以高效地生成頻帶糾纏光子對，這些光子對是構建量子網絡的關鍵部件，可隨時操控。

創(chuàng)新的關鍵在于他們能夠利用這些窄頻率分離來創(chuàng)建和控制量子態(tài)。他們利用集成環(huán)形諧振器，通過一種稱為自發(fā)四波混合的過程，成功地產生了頻率糾纏態(tài)。這種技術允許光子相互作用并產生糾纏，這是構建量子電路的關鍵能力。

這項研究的與眾不同之處在于它的實用性和可擴展性。通過利用硅諧振器提供的精確控制，研究人員僅用三個現(xiàn)成的電光器件就演示了 34 個單量子比特門的同時運行。這一突破使得復雜的量子網絡得以創(chuàng)建，多個量子比特可以獨立并行操作。

為了驗證他們的方法，研究小組在 C2N 進行了實驗，對不同頻段的 17 對最大糾纏量子比特進行了量子態(tài)層析成像。這種詳細的表征證實了其量子態(tài)的保真度和相干性，標志著向實用量子計算邁出了重要一步。

也許最值得注意的是，研究人員建立了他們認為是頻域內首個完全連接的五用戶量子網絡，從而實現(xiàn)了網絡方面的里程碑。這一成就為量子通信協(xié)議開辟了新的途徑，因為量子通信協(xié)議依賴于量子態(tài)編碼信息的安全傳輸。

展望未來，這項研究不僅展示了硅光子學在推動量子技術發(fā)展方面的力量，還為量子計算和安全通信的未來應用鋪平了道路。隨著技術的不斷進步，這些集成光子學平臺將徹底改變依賴安全數據傳輸的行業(yè)，提供前所未有的計算能力和數據安全性。

通訊作者、C2N 公司和巴黎電信公司的安托萬-亨利博士說："我們的工作強調了如何利用頻賓技術實現(xiàn)量子信息的大規(guī)模應用。我們相信，它為高維和資源高效量子通信的可擴展頻域架構提供了前景。"

亨利指出，電信波長的單光子是現(xiàn)實世界應用的理想選擇。利用集成光子學的現(xiàn)有光纖網絡，可以實現(xiàn)設備的小型化、穩(wěn)定性和可擴展性，從而提高設備的復雜性，實現(xiàn)高效的定制光子對生成，以實現(xiàn)電信波長頻率編碼的量子網絡。

這項研究的影響是巨大的。通過利用集成光子學中的頻率維度，研究人員挖掘出了一些關鍵優(yōu)勢，包括可擴展性、抗噪性、并行化以及與現(xiàn)有電信多路復用技術的兼容性。隨著全球距離實現(xiàn)量子技術的全部潛力越來越近，C2N、巴黎電信和 STM 研究人員所報告的這一里程碑式的成果就像一座燈塔，指引著未來量子網絡提供安全通信的方向。