量子信息系统提供比标准计算机更快、更强大的计算方法，帮助解决世界上许多最棘手的问题。然而，要实现这一终极承诺，需要比科学家迄今建造的更大、更互联的量子计算机。事实证明，将量子系统扩展到更大的规模并连接多个系统具有挑战性。
现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的研究人员发现了如何将两项强大的技术(捕获原子阵列和光子设备)结合起来，从而产生用于量子计算、模拟和网络的先进系统。通过利用光子学将单个原子阵列互连，这种新组合将允许构建可以轻松扩展的大型量子系统。
“我们融合了两项技术，而在过去，这两项技术实际上并没有太大关联，” 分子工程学助理教授、新论文的资深作者Hannes Bernien表示，该论文发表在《自然通讯》上。“以这种方式扩展量子系统不仅从根本上很有趣，而且还具有许多实际应用。”
用光镊(高度聚焦的激光束，可以将原子固定在原位)捕获中性原子阵列是一种越来越流行的量子处理器构建方法。这些中性原子网格在以特定序列激发时，可以实现复杂的量子计算，可扩展到数千个量子比特。然而，它们的量子态很脆弱，很容易被破坏——包括那些旨在以光子形式收集数据的光子设备。
“将原子阵列连接到光子设备一直非常具有挑战性，因为技术之间存在根本差异。原子阵列技术依靠激光来生成和计算。” PME 研究生、新研究的共同第一作者Shankar Menon说道。“一旦将系统暴露在半导体或光子芯片上，激光就会散射，从而导致原子捕获、检测和计算出现问题。”
在这项新研究中，Bernien 的团队开发了一种新的半开放芯片几何结构，允许原子阵列与光子芯片接口，从而克服了这些挑战。借助新平台，可以在计算区域进行量子计算，然后将包含所需数据的一小部分原子移动到新的互连区域，以进行光子芯片集成。
“我们有两个单独的区域，原子可以在其中移动，一个远离光子芯片进行计算，另一个靠近光子芯片，用于连接多个原子阵列，”共同第一作者、PME 研究生 Noah Glachman 解释说。“这种芯片的设计方式，使它与原子阵列的计算区域的相互作用最小。”
在互连区域，量子比特与微型光子装置相互作用，后者可以提取光子。然后，光子可以通过光纤传输到其他系统。最终，这意味着许多原子阵列可以互连，形成比单个阵列更大的量子计算平台。
新系统的另一个优势——可能带来特别快速的计算能力——是许多纳米光子腔可以同时连接到一个单个原子阵列。
“我们可以同时拥有数百个这样的腔体，它们可以同时传输量子信息，”Menon 说。“这大大提高了互连模块之间共享信息的速度。”
虽然该团队展示了捕获原子并在区域之间移动它的可行性，但他们正在计划未来的研究，以考察该过程中的其他步骤，包括从纳米光子腔收集光子，以及产生长距离纠缠。
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