推动量子光子学

量子计算机利用量子力学的基本原理来潜在地加速解决复杂计算的过程。假设您需要执行在电话簿中搜索特定号码的任务。传统的电脑会搜索电话簿的每一行，直到找到匹配的为止。量子计算机可以通过同时评估每一行来同时搜索整个电话簿，并以更快的速度返回结果。

速度上的差异是由于计算机处理信息的基本单元造成的。在传统的计算机中，这个基本单元被称为位，是表示0或1的电脉冲或光脉冲。量子计算机的基本单位是一个量子位，它可以同时表示从0到1的许多值的组合。正是这种特性使得量子计算机能够加速计算。量子位的缺点是它们以脆弱的量子态存在，容易受到环境噪声的影响，比如温度的变化。因此，在受控的环境中产生和管理量子位元对研究人员来说是一个巨大的挑战。

加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)工程师、电气与计算机工程助理教授加兰•穆迪(Galan Moody)提出了一种解决方案，以克服现有量子计算原型的效率和性能低下的问题。现有的量子计算原型使用光来编码和处理信息。光学系统很有吸引力，因为它们自然地将量子计算和网络连接在同一个物理框架中。然而，现有的技术仍然需要片外光学操作，这大大降低了效率、性能和可扩展性。在他的项目“异质III-V/硅光子学用于全片:线性光学量子计算”中，Moody的目标是创建一个光学量子计算平台，在这个平台中所有的基本组件都集成到一个半导体芯片上。

“集成电子电路使经典计算的革命性进步成为可能。我们的目标是创造出对量子计算有同样影响的集成光子电路，”穆迪说。他今年秋天加入了UCSB的工程学院，此前他在国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)做了六年的博士后研究员和研究科学家。“这可能会大大提高效率和处理速度，并使利用光处理和传输信息的全新方法成为可能。”

穆迪的研究项目现在得到了美国空军的大力支持。他是美国空军科学研究办公室(Air Force Office of science Research)评选的2019年青年科学家奖40位早期职业科学家之一。获奖者将在三年内获得45万美元的奖金，以支持他们的工作。该项目旨在促进年轻科学家的研究，支持美国空军控制和最大限度利用空气、空间和网络空间的任务，以及科学和工程方面的相关挑战。

穆迪说:“能成为这群才华横溢的获奖者中的一员是我的荣幸，我很感激能被选中。”“这个奖项将使我的研究小组在令人兴奋且迅速发展的量子信息领域产生更有意义的影响。”

为了开发一个全电、全片量子光子平台，Moody建议整合三种不同平台和应用的技术。这些元件是电驱动的量子点单光子源、用于光学操作的硅基光子学和超导纳米线单光子探测器。

“我们将使用物理模型来指导设备的设计和制造，”他说。“量子光谱学将使我们了解材料的特性和噪声源，而芯片上的光学干涉仪将使我们能够进行测量，从而提高材料的纯度，监测光源并进行计算。最终，我们希望更好地理解和利用量子力学为计算和网络提供的优势。”

穆迪表示，这项新技术还可能在一些领域产生革命性的影响，比如用于安全通信的交钥匙量子光源，以及减少激光和led等传统光子器件的尺寸、重量和功耗。