NIST研發(fā)了一種新型的量子光子電路芯片設備來處理和傳遞信息

美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家已經研發(fā)出一種新型的量子光子電路芯片設備的底層架構，該設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和單光子源組成的器件，所有這些器件都集成在一個芯片上。由此產生的量子電路架構可能會對光子量子計算和模擬以及度量和通信產生影響。

操作設備包括產生單光子流，將它們發(fā)射到波導網絡和分束器中，在這些網絡中它們被允許相互干擾，然后在網絡輸出端檢測它們。

為了了解這項研究的影響，人們必須了解到，到目前為止，量子信息研究人員已經設計了許多類型的系統(tǒng)來執(zhí)行量子模擬、計量和通信，這些量子模擬，計量和通信依賴于單個相同光子在大型網絡中的干涉波導和分束器。

在這些系統(tǒng)中，光子被注入并將隨機移動并相互干擾。最后，他們會出現(xiàn)在網絡的輸出端口，每個端口的概率是由量子力學決定的。這些概率是實驗的最終結果。由于這個過程固有的隨機性，實驗必須進行很多次，以便可以高可信地確定概率。

不幸的是，有三個可能的不良結果。首先，光子會在組成網絡的波導中迷失。另一種可能性是光子在發(fā)射到波導中的過程中會丟失。最后一種可能性是，如果光子本身只能以低速率產生光子，那么實驗需要運行更長時間。特別是對于非常大的網絡，這可能意味著不切實際的長時間運行。

NIST開發(fā)的體系結構為這三個問題提供了解決方案，使它們能夠更高效地運行，并支持更大規(guī)模的系統(tǒng)。為了解決波導中的光子損失，NIST的研究人員使用由氮化硅制成的低損耗波導。為了解決從光源到波導發(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)建了一個幾何圖形，以便高效地將其直接發(fā)射到氮化硅波導中。

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

Marcelo Davan?，NIST的研究科學家和論文的第一作者說：“這一切都是通過成熟的，已經建立的集成光子制造技術完成的，以前這種技術已經用于非量子應用，并且具有可擴展性 - 這意味著它們可以生產大量具有大量單個元件的電路?！?/p>

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

Davan?o還認為，他們的架構比其他包含片上單光子源的架構具有優(yōu)勢。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芯片上的方法，它們的個性（和互補性）不會受到損害，幾乎可以用于他們的充分的潛力，?！?/p>

量子點性能優(yōu)越的一個重要原因是它們被封裝在半導體材料砷化鎵（GaAs）的深處，據(jù)Davan?o說。砷化鎵也是有利的，因為它具有高折射率，這使得可以產生能夠有效地捕獲由嵌入的量子點產生的光子的幾何形狀。

雖然砷化鎵在提高量子點方面可能很棒，但它并不是制造低損耗波導的好材料。如果一個光子由GaAs中的量子點產生，然后被發(fā)射到GaAs波導中，這個光子很快就會被散射出波導，或者在材料傳播時被其吸收。

“我們解決這個問題的辦法是制作一個GaAs結構，既可以有效地捕獲由嵌入的量子點發(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）制成的波導中的另一種結構，也被稱為提供相當?shù)偷墓庾訐p失?！盌avan?o解釋說。

在進一步的研究中，他們的目標是在其中制造具有單個量子點的器件，而不是像文中那樣大量地制造器件。 Davan?o補充說：“這將使我們能夠更好地了解我們在架構中可以實現(xiàn)的不可分辨性水平?！?/p>