韓國光量子芯片重大突破！生成4光子糾纏態，或提升量子計算地位

韓國光量子計算又有重大突破了！ 他們製成了指甲蓋大小的硅芯片，成功控制了8個光子的量子態，打開了從理論走向實際應用的大門，有望提升韓國在全球量子計算研究領域的地位。這項研究已發表在《APL 光子學》上。

這款硅基量子芯片來自韓國電子通信研究院（ETRI），其最大亮點在於它能夠生成四光子糾纏態（如“GHZ態”）並進行精確操控。糾纏態是量子力學中最神秘也最有用的現象之一，它讓分離的光子之間能夠以“超距”的方式保持關聯。正是這種特性，使得量子計算和量子通信成爲可能。

另外研究人員還成功測量了“HOM干涉”現象，這是一種純量子效應，用經典光學無法解釋。你可以想象兩個同樣的小球從一個Y形管兩端滾入，經典物理認爲它們可能會從Y形管道的任意一端出來，但量子力學認爲它們會"結伴而行"，總是選擇同一個出口出來，這種反直覺的現象就是HOM干涉，可以用來驗證光子純度和相干性。

論文中98%的干涉可見度，意味着這些光子的"同進同出"的概率極高，證明了這個光子源的優秀性能和高度的穩定性。

單量子比特態： 研究團隊生成了高達98.2%保真度的單量子比特態，這意味着量子信息的準確性極高。

兩量子比特糾纏態： 他們實現了貝爾態（量子糾纏態的一種），保真度達到95.2%，純度爲94.8%。

四量子比特GHZ態： 這是實驗的最亮點，他們通過芯片生成了四光子GHZ糾纏態，保真度爲85.4%，純度爲81.7%。這些數據標誌着光子量子芯片技術的一個重要里程碑。

那麼這項技術背後究竟有什麼“黑科技”呢？這款芯片包含了多個複雜組件：

光子源： 通過硅波導產生高純度的光子對。

干涉儀開關： 控制光子路徑以實現量子態的調控。

波分複用器： 用於分離不同波長的光子，確保信號清晰。

超導納米線探測器： 高效捕捉光子，支持精確的量子態測量。

團隊還使用了“量子態斷層掃描”技術來驗證量子態的保真度和純度，相當於爲量子世界拍攝清晰的“X光”照。

目前通用量子計算機研究主要基於超導或離子阱量子比特，光子量子計算具有以下優勢：

室溫運行： 無需極端低溫環境。

低能耗： 更符合可持續發展的方向。

易於擴展： 光子芯片可通過光纖網絡連接，組建大規模量子計算系統。

而韓國團隊認爲，大量這些微型芯片可以通過光纖連接起來，形成龐大的量子比特網絡，從而實現通用量子計算機。他們的下一步目標是製造16量子比特甚至32量子比特的光子芯片，爲構建大規模量子計算網絡鋪平道路。

量子世界的大門已經被緩緩推開，我們正站在一個嶄新的科技時代的邊緣。這次突破，或許正是邁向未來的重要一步。

參考文獻：

Lee, J. M., et al. (2024). Quantum states generation and manipulation in a programmable silicon-photonic four-qubit system with high-fidelity and purity. APL Photonics, 9(076110).