量子光子学新突破！有望开启光学电路新时代

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（图片来源：网络）

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。

新兴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新未来。

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，其尺寸不到头发丝直径的千分之一。

目前它们是最通用的按需单光子发生器。这些单光子源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。这样它们才能与其他光子和粒子形成相互作用，从而传输和处理信息。

然而这种电路的发展还存在重大挑战。例如，在当前的制造技术中，量子点具有不同的尺寸和形状，释放的光子没有均匀的波长。另外它们在芯片上组装的位置也是随机的，所以不适合用于光电路的开发。

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单量子点，精确对齐均匀发射量子点。这种能力将使光学电路的生产成为可能，促进量子计算和通信技术的新进展。

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。

Zhang说：“这一突破为下一步发展铺平了道路，从单光子物理的实验室演示将转向量子光子电路的芯片级制造。这在量子（安全）通信、成像、传感和量子模拟和计算等方面都具有潜在的应用。”

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。如果该芯片上的晶体管没有放置在精确设计的位置，就不会有集成电路，这与量子点等光子源创建量子光电路的要求相同。”

陆军研究办公室项目经理Evan Runnerstrom说：“这一进展解决了基础材料科学的挑战，对量子计算等技术产生了重大影响。ARO在基础研究方面的针对性投资实现了陆军在网络等领域的现代化改造。

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。

图1.（a）在平面半导体衬底上创建的初始纳米尺寸台面阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像;（b）材料沉积过程中台面轮廓演变示意图，黑色箭头表示原子迁移方向，首先导致GaAs尺寸减小（SESRE方法），量子点材料InAs（红色）在尺寸减小的台面顶部沉积，然后返回GaAs以掩埋红色InAs；带有单个量子点台面的SEM图像如下图所示;（c）表示埋在平面化GaAs表面下的量子点阵列，GaAs是不透明的，为便于观察，图中覆盖层显示为半透明。（图片来源：网络）

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，对于在不同量子点之间创建互连，这是很有必要的。”

通过使用成熟的半导体处理技术，研究人员首次创建了可扩展的量子光子芯片。该团队现在的工作重点是，确定来自相同或不同量子点的发射光子的相同程度。这是干涉和纠缠的量子效应的核心，是量子信息处理（通信、传感、成像或计算）的基础。

Zhang总结道：“我们的方法和材料平台可以提供可扩展和有序的源，为量子信息应用生成相同的单光子。该方法是通用的，可用于其他合适的材料组合，例如基于光纤的光通信、环境监测和医疗诊断。”

AFOSR光电子学和光子学项目官员Gernot S. Pomrenke表示，片上可靠的按需单光子源阵列是向前迈出的重要一步。在量子信息研究成为主流之前，这项工作延续了三十多年的努力。该研究得到了空军科学研究办公室（AFOSR）和美国陆军研究办公室（ARO）的支持。为了实现Madhukar和他的学生以及合作者具有挑战性的工作和愿景，来自其他国防部机构的资源和初始AFOSR资金对他们来说至关重要。这项工作很有可能彻底改变数据中心、医疗诊断、国防等相关技术领域。

编译：卉可

编辑：慕一

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