量子光子学迎来突破 有望开创强大光学电路新时代

2021年04月11日 19:34 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

一种世界首创的使用光子--光粒子--实现量子光学电路的方法,预示着安全通信和量子计算的新未来。现代世界是由 "芯片"上的电子电路驱动的,也就是我们常见的计算机、手机、互联网和其他应用中的基础半导体芯片。在2025年,人类预计将创造175ZettaBytes(175万亿GB)的新数据。

在如此大的数据量下,我们如何确保敏感数据的安全?我们又如何利用这些数据来解决从隐私、安全到气候变化等类似大挑战的问题?尤其是考虑到当前计算机的能力有限的情况下。

一个很有希望的选择是新兴的量子通信和计算技术。然而,要做到这一点,就需要广泛开发强大的新型量子光学电路;这种电路能够安全地处理我们每天产生的大量信息。南加州大学莫克家族化学工程和材料科学系的研究人员已经取得了突破性进展,帮助实现了这项技术。

传统的电路是电荷中的电子沿着一条路径流动,而量子光路则使用光源,按需、逐次产生单个光粒子或光子,作为信息携带位(量子位或qubits)。这些光源是纳米大小的半导体 "量子点"--由数万到一百万个原子组成的微小的制造集合,其线性尺寸小于典型人类头发厚度的千分之一,埋在另一种合适的半导体矩阵中。

迄今为止,它们已被证明是最通用的按需单光子发生器。光路要求这些单光子源以规则的模式排列在半导体芯片上。然后,来自光源的波长几乎相同的光子必须以引导的方向释放。这样就可以操纵它们与其他光子和粒子形成相互作用来传输和处理信息。

直到现在,这类电路的开发还存在着很大的障碍。例如,在目前的制造技术中,量子点具有不同的尺寸和形状,并以随机的位置组装在芯片上。事实上,这些点具有不同的尺寸和形状,意味着它们释放的光子没有统一的波长。这一点和位置顺序的缺乏使它们不适合用于开发光电路。

在最近发表的工作中,美国南加州大学的研究人员已经证明,单光子可以非常精确地排列,量子点以均匀的方式发射出来。需要指出的是,排列量子点的方法是由首席PI阿努帕姆-马杜卡教授和他的团队在近三十年前首先在南加州大学开发出来的,这远早于目前量子信息的爆炸性研究活动和对片上单光子源的兴趣。在这项最新的工作中,南加州大学团队利用这种方法创造了单量子点,其单光子发射特性非常显著。预计,能够精确地排列均匀发射的量子点,将使光电路的生产成为可能,有可能带来量子计算和通信技术的新进展。

这项研究进展发表在《APL Photonics》上的工作由现任莫克家族化学工程和材料科学系研究助理教授的Jiefei Zhang领导,通讯作者是Kenneth T. Norris工程学教授和化学工程、电气工程、材料科学和物理学教授Anupam Madhukar。

量子点必须以精确的方式进行排序,以便可以操纵任何两个或多个点释放的光子在芯片上相互连接。这将构成量子光路的构建单元的基础。这项工作还创造了有序可扩展的量子点的新的世界纪录,在单光子发射的同时纯度大于99.5%,在发射光子的波长均匀性方面,可以窄至1.8nm,比典型的量子点提高了20到40倍。有了这种均匀性,应用局部加热或电场等既有方法对量子点的光子波长进行微调,使其完全匹配,这对于在不同量子点之间创建电路所需的互连变得可行。

这意味着,研究人员首次可以利用成熟的半导体处理技术制造出可扩展的量子光子芯片。此外,该团队现在的工作重点是建立来自相同和/或不同量子点的发射光子的相同程度。不可分辨性的程度是干扰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。

AFOSR光电和光子学项目官员Gernot S. Pomrenke表示,可靠的片上按需单光子源阵列是向前迈出的一大步。

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