混合兩種納米材料制造光子電路新架構(gòu) 承德人和礦業(yè)

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

光子電路（quantum photonic circuits）是利用光的量子性質(zhì)來進(jìn)行信息處理和通訊的芯片裝置，最近美國國立標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)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?cè)谥袊陀暮献髡呙枋隽怂麄冮_發(fā)的設(shè)備。它由低損耗的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和單光子源組成（波導(dǎo)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(gè)架構(gòu)將在光子計(jì)算和仿真領(lǐng)域，還有光子計(jì)量學(xué)和光子通信學(xué)中產(chǎn)生重大影響。

這個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生單光子流，發(fā)射到波導(dǎo)和分束器網(wǎng)絡(luò)中，光子在網(wǎng)絡(luò)中相互干涉，最后在網(wǎng)絡(luò)的輸出端被探測(cè)。

要直觀感受這個(gè)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(shè)計(jì)出了許多種可以進(jìn)行量子仿真、計(jì)量和通訊的儀器，它們都建立于單個(gè)光子在大型波導(dǎo)及分束器網(wǎng)絡(luò)中干涉的基礎(chǔ)上。

這些系統(tǒng)中，光子被射出后會(huì)隨機(jī)地移動(dòng)并相互干涉。最后，它們會(huì)從網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)輸出端口出去，從每個(gè)端口出去的概率由量子力學(xué)決定。這些概率就是實(shí)驗(yàn)的最終輸出。因?yàn)樯鲜鲞^程的內(nèi)在隨機(jī)性，實(shí)驗(yàn)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(dǎo)中丟失；第二種，光子在發(fā)射到波導(dǎo)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(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行很久，特別是對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)，花費(fèi)的時(shí)間會(huì)長得不切實(shí)際。

NIST開發(fā)的架構(gòu)為這三個(gè)問題提供了解決方案，讓實(shí)驗(yàn)更高效地進(jìn)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(dǎo)解決了光子在波導(dǎo)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(dǎo)的結(jié)構(gòu)，來解決光子在發(fā)射到波導(dǎo)過程中丟失的問題。

為了解決第三個(gè)問題：光子的低產(chǎn)生率，NIST的研究組制作了基于量子點(diǎn)（體積微小具有量子效應(yīng)的半導(dǎo)體，不同大小形狀和材料的量子點(diǎn)可以釋放不同頻率的光子——注）的單光子源，所用的量子點(diǎn)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(xué)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(shù)基礎(chǔ)上做到的。這些技術(shù)早先在非量子設(shè)備中采用，還具可擴(kuò)展性，這意味著我們可以制造有更多元件的更大電路。”論文第一作者，NIST研究科學(xué)家Marcelo Davanço說。

Davanço表明，現(xiàn)在這個(gè)設(shè)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(dǎo)網(wǎng)絡(luò)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(shì)。“主要原因是我們用了兩種高性能材料，還設(shè)法將它們結(jié)合到了一張芯片上，同時(shí)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(diǎn)的高性能很大程度上來源于深深將它們包裹其中的半導(dǎo)體材料：砷化鎵（GaAs）。砷化鎵有一個(gè)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(diǎn)產(chǎn)生的光子高效捕獲。

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

Davanço解釋道：“我們的解決方案是制作一個(gè)砷化鎵結(jié)構(gòu)，使它既能高效捕獲內(nèi)部量子點(diǎn)產(chǎn)生的光子，又能讓另一個(gè)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(dǎo)中。”

目前他們論文中的設(shè)備用到了很多個(gè)量子點(diǎn)。接下來的研究中，他們的目標(biāo)是制作只有一個(gè)量子點(diǎn)的設(shè)備。Davanço補(bǔ)充道：“這會(huì)讓我們對(duì)我們架構(gòu)可以達(dá)到的全同性（indistinguishability）程度有更好的理解。”