光学专栏丨光在量子技术中的应用：发展和未来

Original 光子盒研究院光子盒 2023-03-04

收录于合集 #光学专栏 11个

光子盒研究院出品

最近，马克斯-普朗克量子光学研究所所长、慕尼黑大学实验物理学教授、卓越集群慕尼黑量子科技中心（MCQST）的发言人之一Immanuel Bloch与TOPTICA Photonics AG的首席执行官Thomas Renner博士讨论了目前对量子技术应用的激光器和光子解决方案的需求，以及我们在未来可以看到的发展。

左：Thomas Renner；右：Immanuel Bloch

问：Bloch教授，事先问一个简单的问题。什么是慕尼黑卓越集群（MCQST）？重点是基础研究还是具体应用？

Bloch：该集群更侧重于基础研究。但在慕尼黑，我们也有慕尼黑量子谷（Munich Quantum Valley），其重点是与应用相关的技术开发。这两项举措是相互联系的，涵盖了量子计算和模拟的整个范围，从量子通信到计量和传感器的应用。

教育是MCQST的一个重要支柱。例如，我们已经建立了量子科学和技术领域的硕士课程，该课程非常受欢迎。仅在今年，我们就有300份国际申请，其中我们录取了约100人。这个行业正在呼唤毕业生，以应对这个未来行业的诸多挑战。

问：Renner博士，目前，第二次量子革命发生在科学领域。但是，即使如此，对于TOPTICA来说，它的市场有多大？

Renner：我们也把这个领域分为基础研究和应用，我们的根基在科学领域。TOPTICA是在近25年前作为一个科学分拆公司成立的，并且仍然与研究有非常密切的联系。在我们的400名员工中，有60人拥有量子物理和量子光学的博士学位，他们不仅在研究和开发方面，而且在销售、应用、产品管理和生产方面贡献自己的知识。在实施激光系统和其他光子解决方案时，我们从研究中获得刺激，这使我们在所有其他用户行业中受益。

因为在科学领域，对精度和稳定性的要求非常高。如果在这里从技术方面取得成功，将在所有其他领域受益。现在，量子技术已经准备好从基础研究到工业应用的飞跃。因此，在系统的设计和尺寸、价格水平和可用性方面有新的要求。在这方面，我们多年来一直向工业客户提供大约50%的激光器，这使我们受益匪浅。

问：您能否更详细地描述一下即将发生的一些变化？

Renner：量子应用，如量子计算机在科学上相对来说是很好理解的。但是现在，一个量子比特需要多达十几种不同波长的激光器，这些激光器不属于经典的标准波长，如633或1064纳米。这些激光器还必须满足在稳定性和线宽方面的最高要求。量子计算机的不同过程步骤需要许多激光器：生成、冷却、捕获和准备原子或离子以及生成纠缠。

在过去，一个量子比特所需的技术填满了一个重达一百公斤的有振动垫的光学实验室工作台。在第一步中，已经可以在一个头顶高的控制柜中容纳这种设置，包括激光器。即使这也是非常具有挑战性的。下一步是将该技术进一步小型化。这是因为量子计算机不仅需要一个量子比特，而且需要50个或更多的量子比特来进行实际的计算操作；如果包括纠错，还需要另一个数量级。为了实现这一目标，我们需要完全不同的、更紧凑和更强大的激光系统，而这些系统必须仍然是可负担的。

我们正在努力将科学的敏锐度转化为工业产品，并能够在未来几十年内服务于量子市场。重点是小型化和解决方案，用一个激光系统同时产生一千个可单独控制的光束，然后将它们相应地耦合到量子计算机系统中。

问：Bloch教授，您在研究中是如何使用激光和其他光子工具和方法的？

Bloch：我们的主要重点是量子计算和量子模拟器。我们用激光来冷却原子，这样我们就可以用激光镊子捕捉它们，并对它们进行定位和空间排列。而且我们需要极其稳定、低噪音的激光系统来操纵量子比特。目前，我们实际上正在经历Renner博士谈到的技术极限：要保持许多不同的激光系统运行并控制它们，是一项极其复杂的任务。我会立即使用提到的一个激光器有1000个光束的机架。

我们需要可靠的、易于操作的、紧凑的解决方案，在未来还可以进行模块化。为此，我们正在与工业伙伴合作，向他们解释我们的要求和应用中的现有瓶颈。

问：Renner博士，今天的量子计算机的方法只是部分地基于光子学。您认为光子学产业在哪些应用中更有市场潜力？

Renner：我想在这里反驳你。量子计算的大多数方法都是由光学控制的；但是，支持超导技术的公司目前在媒体上更突出，这只是一个事实。谁会赢得这场比赛还有待观察。至少有四种非常有前途的技术密集使用光子学：基于离子和中性原子的方法、光子量子计算机和基于金刚石NV色心的方法。像IonQ、Pasqal、Alpine Quantum Technologies GmbH（AQT）、Coldquanta和Honeywell Quantum Solutions等公司都有杰出的概念。在许多情况下，比较各种方法时只考虑量子比特的数量；但它们的相干时间、保真度和连接性（在专业领域被描述为量子体积）也很重要。而在这里，光控系统目前具有明显的优势。

Bloch：仅仅是设备的必要冷却就使得扩展变得困难。如果有数以百万计的量子比特，这将需要巨大的低温箱，而这种低温箱根本不存在。这说明了挑战和目前的技术水平。扩展需要优化过程控制，目前还完全不清楚哪种描述的技术路径将产生最佳结果。但有一点是明确的：光学方法（特别是用离子和原子）主要是在欧洲进行的，我们有一个非常好的技术基础，有一个强大的光子学产业和研究。我们当然可以引领潮流。

Renner：我同意。无论我们谈论的是激光器、频率梳和探测器还是广泛的用户行业。欧洲拥有塑造市场的最佳要求。在这里，我们有希望在量子计算的帮助下进行高度复杂的模拟和计算操作的用户，如化工和制药公司、保险公司和银行，还有铁路和公路上日益联网的移动部门。

Bloch：除了计算机，我们还有量子计量学和传感器，在量子通信方面，这里的行业有很高的需求。在这里，光子学的大型市场也正在开辟。例如，原子钟、重力计、导航系统等。目前，在许多情况下，驱动力是量子计算的愿景。但我相信，我们在这一领域取得的每一个进步都会刺激所有其他的应用和市场。更好的时钟、更精确的微量气体分析，或更敏感的测量仪器。当然，还有更精确、更有效、更低噪音的激光器。美中不足的是，这些应用领域在技术上是相互关联的。当建立了一个原子钟，将有一半的时间应用于研究量子计算机。换句话说，在通往量子计算机的道路上，许多潜在的产品已经有了市场，因此也有了潜在的收入来源。

问：对精度的要求是巨大的，在那里原子被激光冷却，单个光子被计算和操纵。如何测量和控制多体系统中实现的过程？

Bloch：目前，我们通常控制大约1000个原子，我们可以对其进行定位、控制，并在空间中以确定的距离完美地移动它们。通过目前的系统，我们还可以很好地控制它们的状态。在量子模拟中，我们主要对这些原子之间的相互作用感兴趣。我们可以调整它们，然后直接拍摄原子，并读取每个原子的位置来精确分析照片。

问：照片是指什么？

Bloch：我们可以用激光镊子或在衍射光栅的帮助下相对自由地确定激光冷却原子的距离，而且在这里的工作范围是微米级的。这可以用光学方法很好地描述出来。我们关注的不是绝对的长度尺度，而是物理长度尺度之间的关系。相对于用X射线显微镜观察一种材料和它的原子，我们把原子随机地拉开，或多或少地“放大材料”，然后看它对外部影响的反应如何。

问：一个经常听到的抱怨是，研究和应用之间的差距太大。TOPTICA如何能够跟上科学研究的步伐，并从中获得实用产品？

Renner：我们之所以能够做到这一点，是因为我们的工作与研究非常接近。平均而言，我们的员工拥有博士学位的人数很多，年龄在30到40岁之间，他们在学习期间通常进行过光子仪器的实验，因此，他们知道什么是重要的。仅仅通过他们，我们就与当前的研究有密切联系。而我们的激光器中大约有10000台目前正被用于科学的量子光学应用中。在出售激光器之前，我们举行了许多会议：咨询、规范或规划实验室设置。

这种双向的经验交流有助于我们保持领先，并提供真正有助于用户的解决方案。其他驱动力来自于我们参与的资助项目。仅在量子技术方面，我们目前就在十几个项目中进行合作。

问：Bloch教授，如果您要为您的研究写一份光子创新的愿望清单，您最重要的三个愿望是什么？

Bloch：我希望不需要为激光器而烦恼。如果有什么东西坏了，我希望能够更换相应的模块并继续工作。这就是我们希望达到的目的。这些系统是如何详细设计的，无论是用许多激光器还是用调制器进行光束复用，对我们来说都不重要。重要的是功能和性能。能够以高对比度快速切换激光器的系统，能够使用所需的波长而不产生复杂的问题：具有稳定频率和最小线宽的低噪声系统。

我们总是需要最好的东西来不断突破可行的界限。也许在我的职业生涯结束之前，我将看到我们之前谈到的一个激光器有1000个光束的机架。

问：听起来很有趣。有没有一些物理和技术上的障碍是你希望已经克服的，以便为量子研究铺设新的道路？

Renner：Bloch先生的愿望清单包括必须解决的挑战性问题。在某些情况下，我们可以使用其他领域的解决方案。例如，在共聚焦显微镜中，不同波长的激光器已经从旁边的桌子上游荡到设备中，这是一种技术状态。这些天，你会发现相应的模块有半打激光器，通过鼠标点击就可以激活和耦合。我们也在努力实现量子系统的这种技术状态。面临的挑战是，所需的线宽非常窄，对稳定性的要求非常高。此外，首选的困难波长通常在紫外线范围内，这增加了开发工作和成本。

我们在激光器开发、电子控制、材料开发或光子集成电路（PIC）方面的工作在很长一段时间内都不会缺少；随着第二次量子革命的到来，我们的行业将迎来一个令人兴奋的时代。

参考链接：

https://world-of-photonics.com/en/newsroom/photonics-industry-portal/photonics-interview/quantum-technologies/

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