宾夕法尼亚工程集团授予NSF资助以实现量子飞跃

美国国家科学基金会通过跨学科科学与工程(RAISE)拨款向 工程与应用科学学院的团队颁发了八项全国性研究奖学金， 用于他们提出的量子信息科学研究。

RAISE工程量子集成平台(EQuIP)拨款旨在推动量子信息科学的发展，旨在利用光和物质的固有量子力学特性来开发新技术。EQuIP计划特别关注量子通信，它探索如何压缩，发送和存储信息。2016年，美国国家科学基金会(NSF)公布了“量子飞跃”作为 科学与工程前沿的 重要思想之一，这些项目旨在将这些理念变为现实。

一 队 由领导 李巴塞特，电气及系统工程学系助理教授，将探讨如何在钻石个别杂质原子可以被用作量子通信的平台。目标是开发紧凑的芯片级器件，作为耦合到光纤中单光子的小量子计算机，可以作为未来量子互联网的主干。

“这是一个合作项目，包括我们的团队， 宾夕法尼亚大学的量子工程实验室，我们专注于理解原子和亚原子尺度的材料，以及各种量子技术的工程设备，包括量子传感，通信和计算，”巴塞特说。“我们的项目专注于控制半导体器件中的量子纠缠和量子叠加。从历史上看，半导体器件的一个挑战是缺陷，因为材料永远不会像我们希望的那样纯净。但其中一些缺陷具有量子特性。“

金刚石是量子工程的一种有吸引力的材料，因为它的绝缘性能创造了类似真空的环境。虽然钻石通常完全由碳原子制成，但偶尔会有一种不同的原子取代其中一种碳。这些杂质就像被困原子或分子一样，它们可以与光相互作用。事实上，原子缺陷是大多数宝石的各种颜色的原因。

根据Bassett的说法，这些缺陷中的一些具有显着的量子力学性质，即使在室温下也可以使用光和电子设备进行控制。“缺陷与光的相互作用让我们可以控制其电子的自旋状态，”他解释道。自旋或角动量是所有基本粒子的量子力学性质。“然后我们可以利用电子的自旋在一组周围的碳核中读取和写入量子信息，这些碳核在小型量子计算机中就像存储元件一样。”

该团队包括 由 Firooz Aflatouni领导的 电子光子微系统实验室的成员，Skirkanich电气系统和工程助理教授，专注于量子器件集成电子电路的设计，以及由Rashid Zia领导的布朗大学的一个小组，纳米光子学专家，纳米级光学研究。该团队还将与Tim Taminiau及其团队在荷兰代尔夫特理工大学的QuTECH合作。

“我们的主要目标是在量子器件的性能和集成设计上实现跨越，”巴塞特说。“有许多不同量子技术​​的概念验证演示。但是，大多数系统都是研究实验室的规模，对于像量子互联网这样的应用来说，这显然是不可扩展的。“

由于这笔资金以及团队的三个专业领域，他们计划设计和制造具有钻石缺陷的光纤耦合器件，其性能甚至优于先进的实验室规模系统，而且尺寸，能量要求小得多，成本。

同样，获得RAISE-EQuIP资助的另一个 团队 由宾夕法尼亚大学材料科学与工程教授Ritesh Agarwal和材料科学与工程以及电气与系统工程助理教授 梁峰领导。他们与史蒂文斯理工学院物理学教授，量子信号生成专家Stefan Strauf一起，通过使用先进的纳米光子技术推动量子通信，提供革命性的量子电路，通过单个光子产生和处理量子信号。

“我的小组制作了第一个用于扭曲光子的片上光源，[Agarwal's]制作了第一个用于片上扭曲光子的探测器，”Feng说。“结合这种专业水平，我认为我们的团队将率先生产基于片上扭曲光子的集成量子系统，从光源一直到探测器一侧。我们希望成为第一个为量子通信和信息处理提供此产品的公司。“

单个光子携带的量子信号具有从对称角度设计的属性，可以在信息被发送到接收者(探测器侧)之前遵循源侧的独特扭曲模式。该团队已经开发出遵循扭曲模式的新型集成量子光子平台，实现了高度可扩展的技术，允许发送，接收和处理大量信息。这些曲折充当了独立的信息渠道，形成了一个新的信息维度，对于展示更高维度的量子系统至关重要，这不仅增加了信息容量，而且还增加了防止黑客攻击的安全级别。

Agarwal说，通过单个光子发送数据大大提高了脉冲发送信息的安全性。“如果有人在一个脉冲中发送数百万个光子而黑客偷了20个，你可能不会注意到，但如果我通过单光子脉冲向你发送信息，你肯定会知道是否有人试图破解它。我们的单光子脉冲的扭曲有助于实现量子通信的最终安全性。“

“概念验证就在那里，”Agarwal补充道。“但是还需要做更多的工作，这当然是我们申请这项补助金的原因。它将有助于我们最终的成功。我们不只是缩小规模 - 我们降低了成本。这是我们的梦想，让每个人都可以使用这项技术。“