研究院制备多色光子 或可改变量子信息科学

上图所示：光子芯片的高维彩色纠缠光子态，通过电路传输系统进行操控和传输。下图左：光子晶体，包括非线性微重力，用于产生彩色的纠缠光子对。右：连接到光纤的光子芯片，允许使用标准电信组件实现量子态操作。

与领先的企业合作，对昂贵和复杂的量子基础设施进行投资和研究，释放了量子技术的力量，制造者已经取得了突破性的进展，实现了一个轻量级的光子系统，且这一系统是利用片上设备和现成的电信组件组成。在最新发表在《自然》杂志上一篇论文中该研究团队表明，光子在色彩纠缠形态时可以成为方便且强大的量子资源。

这种系统采用了一种体积小、成本高的光子芯片，其工艺类似于集成电子器件。利用激光激发的片上微环谐振腔，光子成对发射，并共用一个复杂的量子态。光子是以具有叠加频率成分的状态来构造的，即这种光子同时具有多种颜色，而每一个光子的颜色都是相互联系的（纠缠的），且不管它们分离的距离有多少，这种状态始终存在。

每个频率或颜色代表一个维度，光子在片上可作为一种高维量子态（qudit）产生。到目前为止，量子信息科学主要集中在量子比特的开发上，基于两个状态被叠加的二维系统（例如，0和1状态同时存在，这与经典的比特相反，后者在任何时候都是0或1的一种）。工作在频域内允许叠加更多的状态（例如，高维光子可以是红色、黄色、绿色和蓝色，虽然这里所用的光子是用于电信兼容性的红外线），从而增强了单个光子中的信息量。

迄今为止，Roberto Morandotti教授，他领导了加拿大魁北克大学国立科学研究院的这一个研究小组，证实了使用这种方法的至少具有一百个维度的量子系统的实现，并且随着技术的开发，很容易扩展到创建超过9000个维度的多能级系统（要好于12量子比特系统，比肩于那些更明显昂贵和复杂的平台）。

这种量子态的频率域的使用使得它们在光纤系统中易于传输和操作。“通过合并量子光学与超快光学加工领域，我们已经表明，这些高维的操作确实有可能使用标准的电信元件如调制器和高频滤波器实现，”电信系统专家教授JoséAZAñ表示说，他还是这一研究的共同合作者。

为止，电信部门已开发了通信的相关模块的技术，并旨在用于操纵传统信号。本研究是一个改变游戏规则的进步：进展可以立即转移到量子科学将直接用于高维量子态特性的基础研究，如基于光纤应用的量子通信，未来的频域发展，高维量子逻辑门和其他应用程序中。

演示平台的亮点是其可达性：它很容易利用标准通信系统的组件就可以建立这种系统，原材料在市面上到处都是。因此，在短期内，世界各地的研究人员将能够将这项技术纳入并推动这一技术的飞跃，从而推动实际量子应用的发展。