量子光子学新突破！有望开启光学电路新时代

发布时间：2023-04-18 10:08:17 所属栏目：动态来源：

导读：现代生活中，我们是用“芯片”上的电路供电，“芯片”是支撑计算机、手机、互联网等应用的半导体芯片。预计到2025年，人类将创造175泽字节（175万亿千兆字节）的新数据。但是当前计算机的能力有

现代生活中，我们是用“芯片”上的电路供电，“芯片”是支撑计算机、手机、互联网等应用的半导体芯片。预计到2025年，人类将创造175泽字节（175万亿千兆字节）的新数据。但是当前计算机的能力有限，如何确保这些高容量敏感数据的安全性？如何利用这些数据来解决一些重大挑战？包括隐私、安全、气候变化等问题。

新型的量子通信和量子计算技术是一种有前景的解决方案。然而，要实现这一点，还需要持续开发强大的新型量子光电路，研发能够安全地处理每天生成大量信息的电路。南加州大学莫克家族化学工程和材料科学系的研究人员在这方面取得了突破。他们采用了世界上第一个光子量子光学电路的方法，这也预示着安全通信和量子计算的未来。

在传统电路中，电子的定向移动形成了电流。而光量子电路使用光源是按需生成单个光粒子或光子，一次一个，充当量子比特。这些光源是纳米大小的半导体“量子点”集合，由数万到一百万个原子组成，其尺寸不到头发直径的千分之一。

目前它们是最通用的按需单光子发生器。这些光子需要有规律地排列在半导体芯片上。然后，必须向引导方向释放波长几乎相同的光子。这样它们自身才能与其他大量的光子和不可见的粒子彼此形成良好的相互作用，从而源源不断地传输和处理信息。

早在三十年前，南加州大学的PIAnupam Madhukar教授及其团队就研究了对齐量子点的方法。最近，南加州大学研究人员的进一步研究表明，单光子确实可以以均匀的方式从量子点发射，这些量子点是可以按精确模式排列的。在这项最新工作中，南加州大学团队使用这种方法创造了具有显著单光子发射特性的量子点，精确对其均匀发射量子点。这种能力将使光学电路的生产成为可能，可以促进开放的量子计算和非线性通信技术的进展。

这项工作由莫克家族化学工程和材料科学系的研究助理教授Jiefei Zhang领导，他们的研究成果发表在《APL Photonics》上，通讯作者是工程学教授Anupam Madhukar和化学工程，电气工程，材料科学和物理学教授Kenneth T. Norris。共同作者包括南加州大学Mork家族化学工程与材料科学系的Qi Huang和Lucas Jordao，Ming Hsieh电气与计算机工程系的Swarnabha Chattaraj以及IBM Thomas J. Watson研究中心的Siyuan Lu。

Madhukar说：“量子点必须以精确的方式排序，以便可以操纵从任何两个或多个点释放的光子在芯片上相互连接。这将构成量子光电路构建单元的基础。如果光子的来源是随机的，就无法实现。例如使用Zoom等技术平台进行在线通信的技术，是基于硅集成电子芯片的。如果不是把该芯片的晶体管安装到精确的设计位置上,集成电路就不能产生,而这种情形就是同光子点一样的量子光子源需要创建的量子光电系统。

为了精确布局电路量子点，该团队使用了一种称为SESRE（基板编码尺寸减小外延）的方法。1990年初，Madhukar研究组开发了这种方法。现在，在由砷化镓（GaAs）组成的平面半导体衬底上，该团队制造了纳米尺寸台面的规则阵列（图1（a）），长、宽、高都是设定的。然后在上表面添加适当的原子，创建量子点。

Zhang 说：“这项工作还创造了有序和可扩展量子点的新世界纪录，单光子发射的纯度超过99.5%，发射光子波长偏差低至1.8nm，比典型的量子点好20到40倍。有了这种均匀性，就可以应用局部加热或电场等既定方法来微调量子点的光子波长，使它们彼此完全匹配，对于在几个不同半导体量子点之间创建互连，这一个方面是很有必要的。”

（编辑：汽车网）

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