通用光学芯片
英国的一个物理学家团队提出了一种可编程的光子电路，可进行任何形式的线性光学操作。研究人员认为，这种装置为量子...
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该项研究可追溯到1897年的德国数学家Adolf Hurwitz，他展示了如何从更小的2x2矩阵建立起一个复杂矩阵（称为酉算子）。酉算子是线性光学电路的数学描述。这可以是任何使用标准光学元件（如镜子、半镀银镜、移相器）来为光子设定路线，并使其相互干扰的电路。这种矩阵的行数与电路输出端口数相同，列数与输入端口数相同。对于只有一个光子在电路中的情况下，通过相应矩阵的平方得出其从特定输入端到特定输出端的概率。
接着，1994年奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck in Austria）的Anton Zeilinger从理论上说明了2 x 2矩阵可以描述线性光学电路中的元件，这种元件可被配置成重现任何酉算子。最近，布里斯托尔大学（University of Bristol）的Anthony Laing通过建立能够重现任何酉算子的装置，证实了单一装置在具有相同数量的输入和输出端上进行任何线性光学实验都是有可能的。现在，Laing和布里斯托尔大学的同事已经建立并运行了这样的装置。
芯片上的酉算子（Unitary operator on a chip）Laing设计了可集成在一个芯片上的这种装置，说明了不稳定问题能够几乎不可能在实验室中使用元件来建立。这是因为任何一微米以上的移动都会阻止电路干涉仪内部的光子发生相干。Laing的同事Jacques Carolan指出，这种“集成光子”仍然构成挑战，比如微调作为微型激光分离器的波导耦合器，从而使得刚刚好一半的光从波导隧道中的一个通道进入另一个通道。研究人员通过与日本NTT公司的科学家和工程师合作，能够克服这个特定的问题。
结果是将装置设计成与6英寸晶硅相匹配，包含15个干涉仪和30个电控移相器。从6个单光子通道输入，另一端芯片输出一个12个单光子的阵列。布里斯托尔研究人员已经采用通用线性光学处理器，或LPU（类似于CPU），不仅仅证明了Zeilinger团队的理论，还展示了一系列特定的应用。
其中一个是创造可控的NOT门，某些类型量子计算机的重要组成部分。这样的一个门需要两量子比特作为输入，只有当另一个量子比特为真时，这个量子比特的状态发生反转。物理学家认为这种非线性不能用纯线性光学来进行。但布里斯托尔团队采用LPU证明了洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）Raymond Laflamme于2001年提出的理论是有效的。该理论预测即使是在纯线性光学中，某种类型的附加测量可能诱导出非线性光学。
玻色子采样机（Boson sampling machine）在他们进行的其他测量中，Laing及其同事还将LPU作为“玻色子采样机”，一种简化的一次性量子计算机：计算光子到达特定输入端和输出端组合的概率。由于玻色子采样机应该很容易放大，Laing说，它们使得量子物理学家能够在不久的将来试验Church–Turing的论文。该论文指出，每一种计算类型都可以在Turing机器上运行，Turing机器本质上而言是一种经典的数字计算机。然而，Laing指出量子计算机似乎违背了这一设想。
按照Laing的说法，LPU是完全可编程的，且可在1毫秒内实现从一个实验切换到另一个实验。他说，，可以节省实验时间，建立特殊的线性光学实验的，然后运行、拆除。他甚至认为，这对理论学家而言可能是一种资产。“你不需要弄脏自己的手。”他说。Carolan补充说，“想象一下，这种芯片可以做所有过去一直不知道的事情，这是多么令人兴奋啊。”
“超级酷”，但有限（'Super-cool', but limited）伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的Paul Kwia这样描述最新的成果——“集成光学工程的壮举”。然而，他指出，布里斯托尔团队没有指定LPU中失去的光子的分数，方案仍然依赖于外部、供应和检测光子的非线性装置。“这就好像是展示一辆超酷的电动汽车，但受到电池的限制，只能行驶10英里。”他说，“一旦有人解决了电池问题，那么该汽车将不可思议。”
Laing承认脱离芯片的光子的产生和检测导致损耗。这个问题的答案是将所有的元件，包括线性和非线性，整合到同一个芯片上。“这极具挑战。”他说，“但正沿着这个方向前进。”
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