NIST研發(fā)了一種新型的量子光子電路芯片設(shè)備來處理和傳遞信息

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出一種新型的量子光子電路芯片設(shè)備的底層架構(gòu)，該設(shè)備利用光的量子特性來處理和傳遞信息。

在《自然通訊》雜志上所描述的研究中，NIST研究人員及其在中國和英國的合作者開發(fā)了一類由低損耗波導(dǎo)和單光子源組成的器件，所有這些器件都集成在一個(gè)芯片上。由此產(chǎn)生的量子電路架構(gòu)可能會(huì)對(duì)光子量子計(jì)算和模擬以及度量和通信產(chǎn)生影響。

操作設(shè)備包括產(chǎn)生單光子流，將它們發(fā)射到波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和分束器中，在這些網(wǎng)絡(luò)中它們被允許相互干擾，然后在網(wǎng)絡(luò)輸出端檢測(cè)它們。

為了了解這項(xiàng)研究的影響，人們必須了解到，到目前為止，量子信息研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多類型的系統(tǒng)來執(zhí)行量子模擬、計(jì)量和通信，這些量子模擬，計(jì)量和通信依賴于單個(gè)相同光子在大型網(wǎng)絡(luò)中的干涉波導(dǎo)和分束器。

在這些系統(tǒng)中，光子被注入并將隨機(jī)移動(dòng)并相互干擾。最后，他們會(huì)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的輸出端口，每個(gè)端口的概率是由量子力學(xué)決定的。這些概率是實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。由于這個(gè)過程固有的隨機(jī)性，實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行很多次，以便可以高可信地確定概率。

不幸的是，有三個(gè)可能的不良結(jié)果。首先，光子會(huì)在組成網(wǎng)絡(luò)的波導(dǎo)中迷失。另一種可能性是光子在發(fā)射到波導(dǎo)中的過程中會(huì)丟失。最后一種可能性是，如果光子本身只能以低速率產(chǎn)生光子，那么實(shí)驗(yàn)需要運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。特別是對(duì)于非常大的網(wǎng)絡(luò)，這可能意味著不切實(shí)際的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

NIST開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)為這三個(gè)問題提供了解決方案，使它們能夠更高效地運(yùn)行，并支持更大規(guī)模的系統(tǒng)。為了解決波導(dǎo)中的光子損失，NIST的研究人員使用由氮化硅制成的低損耗波導(dǎo)。為了解決從光源到波導(dǎo)發(fā)射的光子丟失的問題，NIST的研究人員將光源直接放在芯片上，并創(chuàng)建了一個(gè)幾何圖形，以便高效地將其直接發(fā)射到氮化硅波導(dǎo)中。

為了克服光子產(chǎn)生率低的第三個(gè)問題，NIST團(tuán)隊(duì)制造了一種基于一種量子點(diǎn)的單光子源，該量子點(diǎn)已被證明能夠按需和高速產(chǎn)生不可區(qū)分的單光子（盡管在低溫下） 。

Marcelo Davan?，NIST的研究科學(xué)家和論文的第一作者說：“這一切都是通過成熟的，已經(jīng)建立的集成光子制造技術(shù)完成的，以前這種技術(shù)已經(jīng)用于非量子應(yīng)用，并且具有可擴(kuò)展性 - 這意味著它們可以生產(chǎn)大量具有大量單個(gè)元件的電路。”

據(jù)Davan?o介紹，這種器件架構(gòu)和以前的架構(gòu)之間的主要區(qū)別在于光子源是片上的，而在絕大多數(shù)其他架構(gòu)中，光子是在片外產(chǎn)生的，然后被注入（多次不是很好效率）納入片上波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。

Davan?o還認(rèn)為，他們的架構(gòu)比其他包含片上單光子源的架構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)。Davan?o說： “主要原因是我們使用了兩種具有高性能的材料，我們找到了一種將它們組合在一個(gè)芯片上的方法，它們的個(gè)性（和互補(bǔ)性）不會(huì)受到損害，幾乎可以用于他們的充分的潛力，?！?/p>

量子點(diǎn)性能優(yōu)越的一個(gè)重要原因是它們被封裝在半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）的深處，據(jù)Davan?o說。砷化鎵也是有利的，因?yàn)樗哂懈哒凵渎?，這使得可以產(chǎn)生能夠有效地捕獲由嵌入的量子點(diǎn)產(chǎn)生的光子的幾何形狀。

雖然砷化鎵在提高量子點(diǎn)方面可能很棒，但它并不是制造低損耗波導(dǎo)的好材料。如果一個(gè)光子由GaAs中的量子點(diǎn)產(chǎn)生，然后被發(fā)射到GaAs波導(dǎo)中，這個(gè)光子很快就會(huì)被散射出波導(dǎo)，或者在材料傳播時(shí)被其吸收。

“我們解決這個(gè)問題的辦法是制作一個(gè)GaAs結(jié)構(gòu)，既可以有效地捕獲由嵌入的量子點(diǎn)發(fā)射的光子，又可以以高效率將它們發(fā)射到由不同材料（氮化硅）制成的波導(dǎo)中的另一種結(jié)構(gòu)，也被稱為提供相當(dāng)?shù)偷墓庾訐p失?！盌avan?o解釋說。

在進(jìn)一步的研究中，他們的目標(biāo)是在其中制造具有單個(gè)量子點(diǎn)的器件，而不是像文中那樣大量地制造器件。 Davan?o補(bǔ)充說：“這將使我們能夠更好地了解我們?cè)诩軜?gòu)中可以實(shí)現(xiàn)的不可分辨性水平。”