現(xiàn)代生活中，我們是用“芯片”上的電路供電，“芯片”是支撐計(jì)算機(jī)、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的半導(dǎo)體芯片。預(yù)計(jì)到2025年，人類將創(chuàng)造175澤字節(jié)（175萬億千兆字節(jié)）的新數(shù)據(jù)。但是當(dāng)前計(jì)算機(jī)的能力有限，如何確保這些高容量敏感數(shù)據(jù)的安全性？如何利用這些數(shù)據(jù)來解決一些重大挑戰(zhàn)？包括隱私、安全、氣候變化等問題。

新興的量子通信和量子計(jì)算技術(shù)是一種有前景的解決方案。然而，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，還需要持續(xù)開發(fā)強(qiáng)大的新型量子光電路，研發(fā)能夠安全地處理每天生成大量信息的電路。南加州大學(xué)莫克家族化學(xué)工程和材料科學(xué)系的研究人員在這方面取得了突破。他們采用了世界上第一個(gè)光子量子光學(xué)電路的方法，這也預(yù)示著安全通信和量子計(jì)算的新未來。

在傳統(tǒng)電路中，電子的定向移動(dòng)形成了電流。而光量子電路使用光源是按需生成單個(gè)光粒子或光子，一次一個(gè)，充當(dāng)量子比特。這些光源是納米大小的半導(dǎo)體“量子點(diǎn)”集合，由數(shù)萬到一百萬個(gè)原子組成，其尺寸不到頭發(fā)絲直徑的千分之一。

目前它們是最通用的按需單光子發(fā)生器。這些單光子源需要有規(guī)律地排列在半導(dǎo)體芯片上。然后，必須向引導(dǎo)方向釋放波長幾乎相同的光子。這樣它們才能與其他光子和粒子形成相互作用，從而傳輸和處理信息。

然而這種電路的發(fā)展還存在重大挑戰(zhàn)。例如，在當(dāng)前的制造技術(shù)中，量子點(diǎn)具有不同的尺寸和形狀，釋放的光子沒有均勻的波長。另外它們在芯片上組裝的位置也是隨機(jī)的，所以不適合用于光電路的開發(fā)。

早在三十年前，南加州大學(xué)的PIAnupam Madhukar教授及其團(tuán)隊(duì)就研究了對(duì)齊量子點(diǎn)的方法。最近，南加州大學(xué)研究人員的進(jìn)一步研究表明，單光子確實(shí)可以以均勻的方式從量子點(diǎn)發(fā)射，這些量子點(diǎn)是可以按精確模式排列的。在這項(xiàng)最新工作中，南加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用這種方法創(chuàng)造了具有顯著單光子發(fā)射特性的單量子點(diǎn)，精確對(duì)齊均勻發(fā)射量子點(diǎn)。這種能力將使光學(xué)電路的生產(chǎn)成為可能，促進(jìn)量子計(jì)算和通信技術(shù)的新進(jìn)展。

這項(xiàng)工作由莫克家族化學(xué)工程和材料科學(xué)系的研究助理教授Jiefei Zhang領(lǐng)導(dǎo)，他們的研究成果發(fā)表在《APL Photonics》上，通訊作者是工程學(xué)教授Anupam Madhukar和化學(xué)工程，電氣工程，材料科學(xué)和物理學(xué)教授Kenneth T. Norris。共同作者包括南加州大學(xué)Mork家族化學(xué)工程與材料科學(xué)系的Qi Huang和Lucas Jordao，Ming Hsieh電氣與計(jì)算機(jī)工程系的Swarnabha Chattaraj以及IBM Thomas J. Watson研究中心的Siyuan Lu。

Zhang說：“這一突破為下一步發(fā)展鋪平了道路，從單光子物理的實(shí)驗(yàn)室演示將轉(zhuǎn)向量子光子電路的芯片級(jí)制造。這在量子（安全）通信、成像、傳感和量子模擬和計(jì)算等方面都具有潛在的應(yīng)用?！?/p>

Madhukar說：“量子點(diǎn)必須以精確的方式排序，以便可以操縱從任何兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)釋放的光子在芯片上相互連接。這將構(gòu)成量子光電路構(gòu)建單元的基礎(chǔ)。如果光子的來源是隨機(jī)的，就無法實(shí)現(xiàn)。例如使用Zoom等技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行在線通信的技術(shù)，是基于硅集成電子芯片的。如果該芯片上的晶體管沒有放置在精確設(shè)計(jì)的位置，就不會(huì)有集成電路，這與量子點(diǎn)等光子源創(chuàng)建量子光電路的要求相同?！?/p>

陸軍研究辦公室項(xiàng)目經(jīng)理Evan Runnerstrom說：“這一進(jìn)展解決了基礎(chǔ)材料科學(xué)的挑戰(zhàn)，對(duì)量子計(jì)算等技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。ARO在基礎(chǔ)研究方面的針對(duì)性投資實(shí)現(xiàn)了陸軍在網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的現(xiàn)代化改造。

為了精確布局電路量子點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為SESRE（基板編碼尺寸減小外延）的方法。1990年初，Madhukar研究組開發(fā)了這種方法?，F(xiàn)在，在由砷化鎵（GaAs）組成的平面半導(dǎo)體襯底上，該團(tuán)隊(duì)制造了納米尺寸臺(tái)面的規(guī)則陣列（圖1（a）），長、寬、高都是設(shè)定的。然后在上表面添加適當(dāng)?shù)脑?，?chuàng)建量子點(diǎn)。

圖1.（a）在平面半導(dǎo)體襯底上創(chuàng)建的初始納米尺寸臺(tái)面陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像;（b）材料沉積過程中臺(tái)面輪廓演變示意圖，黑色箭頭表示原子遷移方向，首先導(dǎo)致GaAs尺寸減?。⊿ESRE方法），量子點(diǎn)材料InAs（紅色）在尺寸減小的臺(tái)面頂部沉積，然后返回GaAs以掩埋紅色I(xiàn)nAs；帶有單個(gè)量子點(diǎn)臺(tái)面的SEM圖像如下圖所示;（c）表示埋在平面化GaAs表面下的量子點(diǎn)陣列，GaAs是不透明的，為便于觀察，圖中覆蓋層顯示為半透明。（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

Zhang 說：“這項(xiàng)工作還創(chuàng)造了有序和可擴(kuò)展量子點(diǎn)的新世界紀(jì)錄，單光子發(fā)射的純度超過99.5%，發(fā)射光子波長偏差低至1.8nm，比典型的量子點(diǎn)好20到40倍。有了這種均勻性，就可以應(yīng)用局部加熱或電場等既定方法來微調(diào)量子點(diǎn)的光子波長，使它們彼此完全匹配，對(duì)于在不同量子點(diǎn)之間創(chuàng)建互連，這是很有必要的。”

通過使用成熟的半導(dǎo)體處理技術(shù)，研究人員首次創(chuàng)建了可擴(kuò)展的量子光子芯片。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在的工作重點(diǎn)是，確定來自相同或不同量子點(diǎn)的發(fā)射光子的相同程度。這是干涉和糾纏的量子效應(yīng)的核心，是量子信息處理（通信、傳感、成像或計(jì)算）的基礎(chǔ)。

Zhang總結(jié)道：“我們的方法和材料平臺(tái)可以提供可擴(kuò)展和有序的源，為量子信息應(yīng)用生成相同的單光子。該方法是通用的，可用于其他合適的材料組合，例如基于光纖的光通信、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療診斷。”

AFOSR光電子學(xué)和光子學(xué)項(xiàng)目官員Gernot S. Pomrenke表示，片上可靠的按需單光子源陣列是向前邁出的重要一步。在量子信息研究成為主流之前，這項(xiàng)工作延續(xù)了三十多年的努力。該研究得到了空軍科學(xué)研究辦公室（AFOSR）和美國陸軍研究辦公室（ARO）的支持。為了實(shí)現(xiàn)Madhukar和他的學(xué)生以及合作者具有挑戰(zhàn)性的工作和愿景，來自其他國防部機(jī)構(gòu)的資源和初始AFOSR資金對(duì)他們來說至關(guān)重要。這項(xiàng)工作很有可能徹底改變數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療診斷、國防等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。

編譯：卉可

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。