量子光子學的著名專家、電氣和計算機工程助理教授Galan Moody的實驗室成功創(chuàng)造了一種在芯片上產生單光子的新方法。

量子具有疊加態(tài)的特性，在應用中可以顯著提高效率。研究人員在努力挖掘量子疊加、糾纏和隧穿的潛力，圍繞未來量子技術的爭論也在持續(xù)升級。

加州大學圣巴巴拉分校的博士生Kamyar Parto和他的研究伙伴表示，量子設備的當前狀態(tài)類似于計算機在1950年的狀態(tài)，即還處于發(fā)展初期。他們發(fā)表在《Nano Letters》上的論文詳細介紹了在該領域的重大突破：通過創(chuàng)建一個芯片“工廠”來產生穩(wěn)定、快速的單光子流。這對于光量子技術的進步至關重要。

Parto解釋說：“在計算機開發(fā)的早期階段，研究人員剛制造出了晶體管。盡管他們對如何制作數(shù)字開關有些想法，但技術支持還不成熟。不同團隊開發(fā)了不同技術，最終都聚焦在CMOS（互補金屬氧化物半導體）上，并圍繞半導體實現(xiàn)了重大突破。如今，量子技術處于類似階段：我們在探索它的應用場景，且開發(fā)了很多技術，如超導量子比特、硅中的自旋量子比特、靜電自旋量子比特和離子阱量子計算機。而在Moody實驗室，我們正在研究光量子。眾多技術平臺在競爭，但目前還沒有明確的贏家?！?/p>

Parto預測，最終的獲勝者將是不同技術的組合，因為每個技術平臺都有其局限性。例如，使用光量子傳輸信息非常容易，因為光喜歡移動。而自旋量子比特可以更容易地存儲信息，但不能傳輸這些數(shù)據(jù)。因此，我們可以利用更好的平臺存儲數(shù)據(jù)，嘗試使用光量子來傳輸數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)后，再將其轉換為另一種格式。

量子比特與經典比特有很大差異，它由特殊的量子技術驅動。經典比特只能存在于0或1的單一狀態(tài)中，但量子比特可以同時處于0和1的疊加態(tài)。

Parto說，在光子學領域，單個光子既可以存在（狀態(tài)1），也可以不存在（狀態(tài)0）。因為單個光子擁有兩能級系統(tǒng)，這意味著它可以以0狀態(tài)、1狀態(tài)或0和1的任何組合狀態(tài)存在，例如50%的1狀態(tài)和50%的0狀態(tài)，或者80%的1狀態(tài)和20%的0狀態(tài)。Moody小組面臨的挑戰(zhàn)是如何高效地生成和收集單個光子。例如使用波導將光引導到芯片上，就像電線引導電流一樣。

雖然使用波導在芯片上引導光子相對簡單，但隔離單個光子并不容易，要建立一個快速有效地產生數(shù)十億光子的系統(tǒng)則更為困難。在Moody小組最新的論文中介紹了一種技術，可以利用一種特殊的現(xiàn)象來產生單光子，顯著提高效率。

Parto解釋說：“如果我們把這些單光子放入不同的波導中，每個波導上有一千個單光子，那么通過編排沿著芯片上的波導傳播的光子，便可以進行量子計算。這項工作可以擴大這些單光子的產量，以便實際應用。我們的突破是在室溫下產生可靠的單光子，使其適合CMOS的大規(guī)模生產過程。”

產生單光子的方法有很多種，但Parto和他的同事們通過利用某些只有一個原子厚的二維（2D）半導體材料中的缺口來做到這一點。Parto說：“如果將光照射到正確的缺口上，材料中的缺口可以像‘工廠’一樣，大概每3~5納秒/次一個的頻率推出單個光子。盡管還無法確定未來能達到的速度，但可能會比現(xiàn)在快得多?！?/p>

2D材料的一大優(yōu)勢是，它們能在特定位置設計缺口。此外，Parto也指出2D材料非常容易集成：“這些材料非常薄，你可以把它們拿起來放在任何其他材料上，而不受3D晶體材料的晶格幾何形狀的限制。”

為了制造有用的器件，必須以極高的精度將2D材料上的缺口放置在波導中。研究人員試圖通過幾種方式做到這一點，例如，將材料放在波導上，然后尋找已有的單個缺口。但就算缺口精確對齊并處于正確的位置，提取效率也只有20%到30%。這是因為單個缺口只能以一種特定的速率發(fā)射，而一些光是以傾斜角度發(fā)射，不是直接沿著波導的路徑發(fā)射。該設計的提取效率上限僅為40%，但制造用于量子信息應用的有用設備需要99.99%的提取效率。

Parto解釋說：“來自缺口的光本質上會照射到任何地方，但我們想讓它照射到這些波導中。我們有兩個選擇。如果把波導放在缺口的頂部，也許10%到15%的光會進入波導。這是遠遠不夠的。但我們可以利用珀塞爾效應來提高效率，并將更多的光引導到波導中。

“我們可以通過將缺口放置在光學腔內來做到這一點。在我們的研究中，光學腔是一個微環(huán)諧振器的形狀，也是唯一允許我們將光耦合到波導和流出的空腔。如果空腔足夠小，它將排除電磁場的真空波動，這些波動會導致光子從缺口自發(fā)發(fā)射到光模式。通過將量子漲落擠壓到有限體積的空腔中，可以使缺口上的波動增加并優(yōu)先向環(huán)發(fā)射光，從而提高提取效率?！?/p>

在使用微環(huán)諧振器的實驗中，該團隊實現(xiàn)了46%的提取效率，比以前提高了一個數(shù)量級。Moody說：“這些結果令人振奮，因為2D材料中的單光子發(fā)射器解決了其他材料在可擴展性和可制造性方面面臨的一些突出問題。在短期內，我們將探索它們在量子通信中的一些應用，而我們的長期目標是繼續(xù)開發(fā)這個量子計算和網絡平臺。”

為此，該小組要將其效率提高到99%以上，這需要更高質量的氮化物諧振器環(huán)?！盀榱颂岣咝?，從氮化硅薄膜中雕刻出環(huán)時，需要保證環(huán)非常光滑，”Parto解釋說?！叭欢?，如果材料本身不是完全結晶的，那么即使它在原子水平上是平滑的，表面可能仍是粗糙的海綿狀，導致光從它們身上散射?！?/p>

盡管已經有很多團隊選擇購買氮化物來保證其高質量，Parto和他的團隊仍選擇自己制造氮化物。他說：“我們必須自研，因為我們必須在材料下面放置缺口。而且，我們所使用的是一種特殊類型的氮化硅，這樣才能最大限度地減少單光子應用的背景光。而其他公司生產的氮化物無法提供這些。”

編譯：卉可

編輯：慕一