科学家正在努力探索量子计算与量子模拟的技术实现路径。大家利用的体系各不相同，学术界及工业界就将来哪条技术路线最有希望尚未达成共识。极化激元是实现量子技术的选项之一，因为相较大多数体系，它形成凝聚的温度较高，因此预示着可能在较高温度下就可以实现量子计算与模拟。国内外的研究人员对极化激元开展了广泛的研究，比如在本世纪初发现了极化激元激射，2013年发现极化激元超流，这些研究为实现量子技术打下坚实的基础。

近日，西湖大学理学院、国际极化激元研究中心Pavlos Savvidis课题组在《Science Advances》上发表了题为“Qubit Analog with Polariton Superfluid in an Annular Trap”的研究成果。研究人员开发了一个新型的模拟量子计算新平台，在极化激元的量子技术发展上又迈进了一步。

西湖大学理学院教授Pavlos Savvidis为本文通讯作者，西湖大学博士生Joris Barrat为第一作者。

图1. 模拟量子比特示意图。实现这个比特的实体是一个内嵌GaAs/AlGaAs量子阱的平面微腔（图中最下面的三明治结构）。激光经空间调制后从上方射入微腔，在水平面上产生特定的势能分布。极化激元形成的超流被困在环形的势能洼地里，它们顺时针或逆时针流动

构成该模拟量子比特的基本单元，是利用一个势阱圈中顺逆时针流动的两股极化激元超流叠加所构成的二能级体系。Joris Barrat解释道：“如果势阱是个100%旋转对称的圆环，就只会出现一个能级。我们通过控制让这个势阱环多‘不’圆，可以构建一个非常理想的二能级体系，这是我们实现一个比特的基础。”

图2. 势阱圈中顺逆时针流动的两股极化激元超流叠加，构成一个二能级体系

成功构建了单个比特之后，研究人员通过干涉测量对相干性进行表征，他们发现系统在0态和1态的退相干时间长达数百皮秒。Joris Barrat评论说：“退相干时间长是非常有利的，这让我们有足够的时间去操控与读取比特。”

图3. 相干性测试。系统在0态和1态的退相干时间分别达260ps和800ps

干涉测量还表明，这个系统在顺时针超流和逆时针超流两态之间快速振荡。应该如何控制这种振荡？研究人员发现，再加入额外的一束激光就能够改变两股超流之间的耦合，由此可以控制振荡的频率。不仅如此，当这束激光强到一定程度，就能把这个系统初始化到0态或1态。

“实现这一实验，证明了极化激元作为模拟量子计算平台的可行性，它在操作速度和可扩展性方面具有潜在优势，”Pavlos Savvidis说，“我们的研究为使用这一类准粒子进行量子调控提供了概念验证。”

这项研究得到希腊福斯研究所（FORTH）David Petrosyan团队的理论支持。David Petrosyan说：“很高兴我们两个团队共同打造一种新型的模拟量子比特。利用极化激元的独特特性，这项工作提出了很有前景的量子计算新方式，在优化和解决数学困难问题以及材料科学模拟等领域将具有广泛的应用。”

该研究得到科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目的资助，以及西湖大学先进微纳加工与测试平台的支持。根据项目推进计划，团队后续将挑战多个比特间的耦合及其调控。

课题组网站：https://www.quantopt.cn/overview