量子技术的发展有望对科学、工程和社会产生深远的影响。大规模的量子计算机将能够解决即使在目前功能最强大的超级计算机上也难以解决的问题，并具有许多革命性的应用，例如在新药和新材料的设计中。

集成量子光子学是一种开发量子技术的有前途的平台，因为它具有在小型复杂光学电路中生成和控制单个光粒子的能力。利用成熟的CMOS硅产业制造集成设备，可以将具有数千根光纤和组件的电路集成到单个毫米级的芯片上。

迫切需要使用集成光子技术来开发可扩展的量子技术。为此，布里斯托大学的一个物理学家团队开发了第一个集成光子源，它具有提供大规模量子光子学的潜力。该最新研究成果论文发表在最近的《自然通讯》上。

研究人员解释说：“限制集成量子光子学规模的一个重要挑战是缺少能够产生高质量单光子的芯片光源。如果没有低噪声光子源，当电路复杂度增加时，量子计算中的误差会迅速累积。从而导致计算不再可靠，而且源中的光损耗限制了量子计算机可以产生和处理的光子数量。

“在这项工作中，我们找到了解决此问题的方法，并在此过程中开发了首个与大规模量子光子兼容的集成光子源。为实现高质量的光子，我们开发了一种新颖的技术——“联模自发四能“波混合”，即通过硅波导传播的多种光模式受到非线性干扰，为产生单个光子创造了理想条件。下图所示为所使用的产生并具有高质量干扰性能的光子硅光子芯片。

布里斯托尔量子工程技术实验室（QETLabs）的研究团队与意大利特伦托大学的研究团队合作，在一栋光量子信息处理实验建筑中，对将此类光源用于光子量子计算进行了基准测试，获得了迄今为止观察到的、可见性96％、最高质量的片上光子量子干涉。

研究人员说：“迄今为止，该设备表现出了任何集成光子源的最佳性能：光谱纯度和99％或大于90％的光子预示效率的不可分辨性。”

重要的是，硅光子器件是在商业制造厂中通过CMOS兼容工艺制造的，这意味着成千上万的光源可以轻松集成到单个器件中。这项研究，代表了大规模构建量子电路的重要一步，为多种应用铺平了道路。

“我们已经解决了一组关键噪声，这些噪声以前限制了光子量子信息处理的规模。例如，数百个此类源的阵列可用于构建短期噪声的中级量子（NISQ）光子机，其中可以处理数十个光子来解决专门的任务，例如分子动力学模拟或与图论相关的某些优化问题。”

现在，研究人员已经设计出了如何构建近乎完美的光子源的技术，在接下来的几个月中，该研究平台的可扩展性将使它们能够在单个芯片上集成数十到数百个光子。开发如此大规模的电路将使NISQ光子量子机有可能解决当前超级计算机无法解决的与工业相关的问题。

研究人员表示：“此外，通过对光子源进行先进的优化和小型化，我们的技术可以在集成的光子学平台中实现容错量子操作，从而释放出量子计算机的潜能。”