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。

此次合作旨在利用先进的光子学进行量子计算和保密通信，重点是由量子合作计划资助的一项新举措。

协同量子创新

桑迪亚国家实验室和亚利桑那州立大学这两所顶尖研究机构正在携手合作，通过将大型光学系统缩小至紧凑型集成微系统，推动量子技术发展。

桑迪亚国家实验室（Sandia）专攻集成光子学的物理学家尼尔斯·奥特斯特罗姆（Nils Otterstrom）正带领团队致力于实现这些光学系统的微型化。这一突破有望提高性能和可扩展性，其应用范围从先进计算到安全通信不等。

“集成光子学把宏观的光学系统缩小至微观尺度，”奥特斯特罗姆说。他曾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实验室。“我们在集成光子学领域所做的工作是开发新型器件和探索器件物理学，以提供开展基础研究和创建下一代量子微系统所需的所有功能。我们在桑迪亚实验室的微系统工程、科学与应用综合设施（Microsystems Engineering, Sciences and Applications，简称MESA）拥有世界级的制造能力和高度可定制性，这使我们在影响最前沿的科学技术方面具有独特优势。”

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·卢克斯合作。卢克斯是利用光的频率在量子计算和网络系统中携带量子信息的领军专家。

这一努力最近在由量子联盟资助的一项新的合作研究与发展协议的推动下正式展开。量子联盟汇集了学术和研究机构（包括国家实验室），以推动量子信息和技术的研究，以及教育和劳动力的发展。

卢克斯（Lukens）说：“量子协作（Quantum Collaborative）的灵感来自于我们对未来的认识，即未来是量子的。如果我们想取得成功，单凭单个研究人员甚至是单个机构是不可能做到的，这根本行不通。该协作组织是一个由志同道合的个体组成的有意为之的网络，他们对建设量子信息技术感兴趣，这也是我们联系和合作的一种方式。”

亚利桑那州为量子合作计划提供资金，亚利桑那州立大学负责该计划的管理。

从庞大系统向集成芯片的过渡

在与桑迪亚达成协议之前，卢克恩斯专注于光纤系统，用于频率仓量子信息处理方面的工作。他解释说，量子比特存在于包括光子学在内的各种平台上。

“在频率法中，你的量子比特是一个光子，能够同时拥有两种不同的波长或光的颜色，”卢克斯（Lukens）说。“0对应一种颜色，1对应另一种颜色。这种编码对量子通信而言很有利。它在光纤中传输效果很好。”

之前，这项工作是在光学平台上利用商用光波元件完成的。

“我们正在使用庞大笨重的系统。它们的光子损耗很高，价格非常昂贵，还占用了很多空间，”卢克斯说。“我认为我已经用台式设备和频域组编码做到了力所能及的一切。”

这正是桑迪亚集成光子学资源发挥作用的地方。

卢肯斯提到MESA建筑群时说：“桑迪亚国家实验室拥有全球最灵活的工厂之一，不仅适用于微电子领域，也适用于光子学领域。桑迪亚国家实验室能够制造小型光子集成电路，其功能可以媲美一平方米大小的大型光学平台。”

桑迪亚国家安全光子中心提供多种组件和平台技术，在集成光子学领域拥有 50 多项已授权专利。

量子光子学的进展

空间分束器可以获取光子并将其朝两个方向分离，是量子光子学的基本元件。

“在这种频率编码范例中，我们需要创造一种特殊类型的分束器，其可将一种颜色的光分离成两种颜色，”奥特斯特罗姆说道。“我们与耶鲁大学教授彼得·拉基奇 (Peter Rakich) 的团队展开合作，在桑迪亚国家实验室研发出这些效率极高的新型相位调制器装置。”

这些设备以悬浮硅波导为基础，可传输光信号和千兆赫声波，而声波是由共集成的氮化铝电机械转换器产生的。

奥特斯特罗姆（Otterstrom）说：“结果是产生了高度灵活的光机结构，该结构可通过声光方式将光子分裂成多个频率。这样一来，你就可以在更高维度的空间中进行量子信息处理。你可以将其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

Lukens说，他的目标是将工作从原理验证实验转移到量子网络部署上。

卢克恩斯（Lukens）说：“为了实现这一点，我们需要比现在用商业设备所能实现的损耗更低的系统，我们也需要更便宜一点的系统。如果我们能在芯片上实现这些功能，那么我们现在谈论的就是一种更加实用和可行的方法来建立量子网络。”

奥特斯特罗姆一直在指导卢肯斯购买部件，如显微镜和光学支架等，以便在该大学实验室的测试平台上使用桑迪亚公司制造的光子集成电路。

量子合作领域的一座里程碑

合作取得了回报。美国桑迪亚国家实验室（Sandia’s Laboratory）的定向研究计划已拨款1700万美元，以推进该团队在基于频率的量子光子学领域的研究。这笔资金以一项名为“纠错光子集成量子位（Error-Corrected Photonic Integrated Qubits）”的重大挑战计划（Grand Challenge Program）的形式下发，简称EPIQ。

“如果没有桑迪亚和亚利桑那州立大学的合作，我们可能无法取得如今EPIQ大挑战（EPIQ Grand Challenge）的成果，”该项目的主要研究员保罗·戴维兹（Paul Davids）表示，“尼尔斯联系上了乔·卢肯斯（Joe Lukens），这让我们开始初探频率编码光子量子比特的相关理念。尼尔斯在这一领域富有远见的领导力，以及乔·卢肯斯先前的工作和专业知识，对EPIQ大挑战而言至关重要。”

奥特斯特罗姆说，该资金将使大规模实施和整合与亚利桑那州立大学早期合作中探索的设备物理成为可能，从而制造出一种可进行错误校正的有用光子量子位。

支持量子技术发展

除了参与量子合作计划外，桑迪亚国家实验室还作为西南高级原型中心的核心合作伙伴，提供微电子系统架构（MESA）综合体的微电子原型设计能力。该中心同样由亚利桑那州立大学领导，是全国八个微电子共享中心之一。微电子共享中心由国会颁布的《芯片与科学法案》资助，旨在激发美国在半导体行业的竞争力，并减少对国外供应商的依赖。