量子信息系统提供比标准计算机更快、更强大的计算方法，有助于解决世界上许多最棘手的问题。然而，要实现这一最终承诺，将需要比科学家尚未建造的更大、更互联的量子计算机。事实证明，将量子系统扩展到更大的尺寸，并连接多个系统是具有挑战性的。
现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员已经发现了如何结合两种强大的技术——捕获原子阵列和光子器件——来产生用于量子计算、模拟和网络的先进系统。新的组合将允许构建大型量子系统，这些量子系统可以很容易地扩大规模，通过利用光子学互连单个原子阵列。
“我们已经合并了两种技术，在过去，这两种技术实际上并没有太大关系，”分子工程助理教授、这项新工作的资深作者Hannes Bernien表示，该研究发表在《Nature Communications》期刊上。“可以看到我们是如何以这种方式扩展量子系统的，它不仅非常有趣，更重要的是它具有很多实际用途。
被困在光镊中的中性原子阵列——高度聚焦的激光束，可以将原子固定在适当的位置——是一种越来越流行的构建量子处理器的方法。当这些中性原子网格以特定序列激发时，可以进行复杂的量子计算，这些计算可以扩展到数千个量子比特。然而，它们的量子态是脆弱的，很容易被破坏，包括被旨在以光子形式收集数据的光子设备破坏。
“由于技术上的根本差异，将原子阵列连接到光子器件一直非常具有挑战性。原子阵列技术依赖于激光器进行生成和计算。”
PME研究生，新工作的共同第一作者Shankar Menon说。“一旦你将系统暴露在半导体或光子芯片中，激光就会散射，从而导致原子的捕获、检测和计算问题。
在这项新工作中，Bernien的团队开发了一种新的半开放芯片几何形状，允许原子阵列与光子芯片接口，克服了这些挑战。借助新平台，可以在计算区域中进行量子计算，然后将包含所需数据的原子中的一小部分移动到新的互连区域，以实现光子芯片集成。
“我们有两个独立的区域，原子可以在它们之间移动，一个远离光子芯片进行计算，另一个靠近光子芯片，用于互连多个原子阵列。”
共同第一作者，PME研究生Noah Glachman解释说。“这种芯片的设计方式，它与原子阵列的计算区域的相互作用最小。”
在互连区域，量子比特与微观光子器件相互作用，该光子器件可以提取光子。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。
新系统的另一个优点是可以将多个纳米光子腔同时连接到一个单原子阵列上，这可以带来独特的快速计算能力。
“我们可以同时拥有数百个这样的腔体，它们都可以同时传输量子信息，”Menon说。“这可以使得互连模块之间信息共享的速度大幅提高。”
该团队不仅展示了捕获原子并在区域之间移动的可行性，同时他们还在计划未来的研究，并着眼于该过程中的其他步骤，包括从纳米光子腔中收集光子，以及长距离产生纠缠。
