中國粉體網(wǎng)訊  

圖片來源：NIST/Nature Communications. 在這幅假彩色掃描電鏡圖中,，單個光子從二氧化硅表面（藍）上的波導（粉）中穿過,。

光子電路（quantum photonic circuits）是利用光的量子性質(zhì)來進行信息處理和通訊的芯片裝置，最近美國國立標準及技術研究院（NIST）的科學家為它開發(fā)出了一種新架構(gòu),。

在發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communication）上的研究中,，NIST的研究者及他們在中國和英國的合作者描述了他們開發(fā)的設備。它由低損耗的波導網(wǎng)絡和單光子源組成（波導是一種讓聲光等波傳播到特定方向的結(jié)構(gòu)——注）,，集成在一張芯片上,。這個架構(gòu)將在光子計算和仿真領域，還有光子計量學和光子通信學中產(chǎn)生重大影響,。

這個設備運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生單光子流,，發(fā)射到波導和分束器網(wǎng)絡中，光子在網(wǎng)絡中相互干涉,，最后在網(wǎng)絡的輸出端被探測,。

要直觀感受這個研究的影響有多大，你必須知道現(xiàn)如今量子信息研究者們已經(jīng)設計出了許多種可以進行量子仿真,、計量和通訊的儀器,，它們都建立于單個光子在大型波導及分束器網(wǎng)絡中干涉的基礎上。

這些系統(tǒng)中,，光子被射出后會隨機地移動并相互干涉,。最后，它們會從網(wǎng)絡的一個輸出端口出去,，從每個端口出去的概率由量子力學決定,。這些概率就是實驗的最終輸出,。因為上述過程的內(nèi)在隨機性，實驗必須做很多次才能把這些概率可靠地確定,。

不幸的是,，可能出現(xiàn)的三種壞情況：第一種，光子在波導中丟失,；第二種,，光子在發(fā)射到波導的過程中丟失；最后一種,，光子源產(chǎn)生光子的效率太低,，使得實驗需要進行很久，特別是對大型網(wǎng)絡,，花費的時間會長得不切實際,。

NIST開發(fā)的架構(gòu)為這三個問題提供了解決方案，讓實驗更高效地進行,，允許系統(tǒng)向更大規(guī)模發(fā)展,。研究者用基于氮化硅的低損耗波導解決了光子在波導中丟失的問題；研究者直接把光子源放在芯片上,，并建立了使光子直接高效發(fā)射到氮化硅波導的結(jié)構(gòu),，來解決光子在發(fā)射到波導過程中丟失的問題。

為了解決第三個問題：光子的低產(chǎn)生率,，NIST的研究組制作了基于量子點（體積微小具有量子效應的半導體,，不同大小形狀和材料的量子點可以釋放不同頻率的光子——注）的單光子源，所用的量子點已經(jīng)被證明可以高效地產(chǎn)生全同的（indistinguishable,，指所有量子力學內(nèi)秉屬性相同——注）單光子,，不過此過程需在低溫下才能完成。

“這都是在成熟的集成光子制造技術基礎上做到的,。這些技術早先在非量子設備中采用,，還具可擴展性，這意味著我們可以制造有更多元件的更大電路,�,！闭撐牡谝蛔髡撸琋IST研究科學家Marcelo Davanço說,。

Davanço表明，現(xiàn)在這個設備架構(gòu)和原先的區(qū)別在于光子源集成在了芯片上,，而以往的大多數(shù)架構(gòu)中光子都在芯片外產(chǎn)生,，然后再發(fā)射到芯片上的波導網(wǎng)絡中，通常發(fā)射的光子丟失率都不低,。

Davanço還宣稱他們的架構(gòu)和那些光子源在芯片上的架構(gòu)相比,，也有優(yōu)勢,。“主要原因是我們用了兩種高性能材料,，還設法將它們結(jié)合到了一張芯片上,，同時保留了它們各自的性質(zhì)，使其充分發(fā)揮潛能,�,！�

據(jù)Davanço說，量子點的高性能很大程度上來源于深深將它們包裹其中的半導體材料：砷化鎵（GaAs）,。砷化鎵有一個好處是它的高折光率,，這使得用它制成的幾何結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部量子點產(chǎn)生的光子高效捕獲。

盡管砷化鎵在激發(fā)量子點方面很好用,，它并不是制造低損波導的好材料,。如果一個包裹在砷化鎵里的量子點產(chǎn)生的光子被發(fā)射到砷化鎵制成的波導里，它不是很快散射到波導外,，就是很快在傳播時被材料吸收,。

Davanço解釋道：“我們的解決方案是制作一個砷化鎵結(jié)構(gòu)，使它既能高效捕獲內(nèi)部量子點產(chǎn)生的光子,，又能讓另一個砷化鎵結(jié)構(gòu)將光子高效發(fā)射到以低損聞名的氮化硅波導中,。”

目前他們論文中的設備用到了很多個量子點,。接下來的研究中,，他們的目標是制作只有一個量子點的設備。Davanço補充道：“這會讓我們對我們架構(gòu)可以達到的全同性（indistinguishability）程度有更好的理解,�,！�

（翻譯：顧金濤 審校：馬曉彤）

原文鏈接【科學美國人博客】：

https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/optoelectronics/a-mix-of-nanomaterials-leads-to-a-new-quantum-photonic-circuit-architecture