硅微谐振器(左，SEM 图像)为相距 21 GHZ 的频率纠缠光子对提供参数宽带源，以实现频率编码的大规模量子网络。结果是一个无可信节点的全连接网络，用户通过双量子比特频率纠缠状态连接。
量子技术取得了一次重大飞跃，研究人员在利用集成光子学中的频率维度方面取得了里程碑式的进展。这一突破不仅有望推动量子计算的发展，也为超安全通信网络奠定了基础。
集成光子学是在硅芯片上的微型电路内操纵光，由于其可扩展性和与现有电信基础设施的兼容性，长期以来一直被量子应用所看好。在一项发表在 《先进光子学》
上的 研究中 ，来自纳米科学和纳米技术中心 (C2N)、巴黎电信公司和意法半导体 (STM) 的研究人员克服了之前的局限性，开发出占地面积小于 0.05 平方毫米的硅环谐振器，能够产生间隔 21 GHz 的 70 多个不同频道。这使得仅使用三个标准电光设备就可以并行化和独立控制 34 个单量子比特门。该设备可以高效地生成易于操纵的频率箱纠缠光子对——这是构建量子网络的关键组件。 关键创新在于他们能够利用这些窄频率间隔来创建和控制量子态。利用集成环形谐振器，他们通过一种称为自发四波混频的过程成功生成了频率纠缠态。该技术允许光子相互作用并纠缠，这是构建量子电路的关键能力。
这项研究的与众不同之处在于其实用性和可扩展性。通过利用硅谐振器提供的精确控制，研究人员仅使用三个现成的电光设备就演示了 34 个单量子比特门同时运行。这一突破使得创建复杂的量子网络成为可能，其中可以独立和并行地操纵多个量子比特。
为了验证他们的方法，该团队在 C2N 进行了实验，展示了不同频率范围内 17 对最大纠缠量子比特的量子态断层扫描。这种详细的表征证实了它们的量子态的保真度和相干性，标志着朝着实用量子计算迈出了重要一步。
或许最值得注意的是，研究人员在网络领域取得了里程碑式的成就，他们建立了他们认为是第一个频域全连通的五用户量子网络。这一成就为量子通信协议开辟了新途径，这些协议依赖于以量子态编码的信息的安全传输。
展望未来，这项研究不仅展示了硅光子学在推进量子技术方面的力量，也为量子计算和安全通信的未来应用铺平了道路。随着技术的不断进步，这些集成光子学平台可能会彻底改变依赖安全数据传输的行业，提供前所未有的计算能力和数据安全性。
通讯作者、C2N 和巴黎电信公司的 Antoine Henry 博士评论道：“我们的工作重点是如何利用频率箱实现量子信息的大规模应用。我们相信，它为高维和资源高效的量子通信提供了可扩展频域架构的前景。” Henry 指出，电信波长的单光子非常适合利用现有光纤网络的实际应用，集成光子学可以实现设备的小型化、稳定性和可扩展性/增加复杂性的潜力，从而实现高效和定制的光子对生成，以实现具有电信波长频率编码的量子网络。
这项研究的意义是巨大的。通过利用集成光子学中的频率维度，研究人员已经解锁了关键优势，包括可扩展性、抗噪性、并行化以及与现有电信多路复用技术的兼容性。随着世界越来越接近实现量子技术的全部潜力，C2N、巴黎电信和 STM 研究人员报告的这一里程碑就像一盏明灯，指引着我们走向量子网络提供安全通信的未来。
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