量子技術的發展有望對科學、工程和社會產生深遠的影響。大規模的量子計算機將能夠解決即使在目前功能最強大的超級計算機上也難以解決的問題，並具有許多革命性的應用，例如在新藥和新材料的設計中。

集成量子光子學是一種開發量子技術的有前途的平臺，因爲它具有在小型複雜光學電路中生成和控制單個光粒子的能力。利用成熟的CMOS硅產業製造集成設備，可以將具有數千根光纖和組件的電路集成到單個毫米級的芯片上。

迫切需要使用集成光子技術來開發可擴展的量子技術。爲此，布里斯托大學的一個物理學家團隊開發了第一個集成光子源，它具有提供大規模量子光子學的潛力。該最新研究成果論文發表在最近的《自然通訊》上。

研究人員解釋說：“限制集成量子光子學規模的一個重要挑戰是缺少能夠產生高質量單光子的芯片光源。如果沒有低噪聲光子源，當電路複雜度增加時，量子計算中的誤差會迅速累積。從而導致計算不再可靠，而且源中的光損耗限制了量子計算機可以產生和處理的光子數量。

“在這項工作中，我們找到了解決此問題的方法，並在此過程中開發了首個與大規模量子光子兼容的集成光子源。爲實現高質量的光子，我們開發了一種新穎的技術——“聯模自發四能“波混合”，即通過硅波導傳播的多種光模式受到非線性干擾，爲產生單個光子創造了理想條件。下圖所示爲所使用的產生並具有高質量干擾性能的光子硅光子芯片。

布里斯托爾量子工程技術實驗室（QETLabs）的研究團隊與意大利特倫託大學的研究團隊合作，在一棟光量子信息處理實驗建築中，對將此類光源用於光子量子計算進行了基準測試，獲得了迄今爲止觀察到的、可見性96％、最高質量的片上光子量子干涉。

研究人員說：“迄今爲止，該設備表現出了任何集成光子源的最佳性能：光譜純度和99％或大於90％的光子預示效率的不可分辨性。”

重要的是，硅光子器件是在商業製造廠中通過CMOS兼容工藝製造的，這意味着成千上萬的光源可以輕鬆集成到單個器件中。這項研究，代表了大規模構建量子電路的重要一步，爲多種應用鋪平了道路。

“我們已經解決了一組關鍵噪聲，這些噪聲以前限制了光子量子信息處理的規模。例如，數百個此類源的陣列可用於構建短期噪聲的中級量子（NISQ）光子機，其中可以處理數十個光子來解決專門的任務，例如分子動力學模擬或與圖論相關的某些優化問題。”

現在，研究人員已經設計出瞭如何構建近乎完美的光子源的技術，在接下來的幾個月中，該研究平臺的可擴展性將使它們能夠在單個芯片上集成數十到數百個光子。開發如此大規模的電路將使NISQ光子量子機有可能解決當前超級計算機無法解決的與工業相關的問題。

研究人員表示：“此外，通過對光子源進行先進的優化和小型化，我們的技術可以在集成的光子學平臺中實現容錯量子操作，從而釋放出量子計算機的潛能。”