量子光子学新突破

发布时间：2023-04-10 13:13:53 所属栏目：外闻来源：

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。研究人员成功地实现了第一个光子量子光学电路设计方案,这也为未来安全通信与量子计算提供了新的前景。

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。它通过与其他光子和粒子发生作用,从而传送和处理信息,从而形成共同的目标。

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。

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。如果在芯片上未把晶体管固定到一个精密设计位置的话,就不能得到一个集成电路,这个电路的要求与量子点这样的光源来构建一个量子光电路相吻合。”

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。该均匀性可使量子点光子波长微调到相互完全匹配的水平。采用局部加热或电场等既定方法则可以实现互连;而如果要将不同的量子点形成互连,则需要采用这些方法。”

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。

（编辑：汽车网）

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