NIST开发超低损耗的集成光子电路，可应用于量子计算

光子盒研究院光子盒 2023-03-04

光子盒研究院出品

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员和他们的同事已经将量子点单光子源（量子点是一种人造原子，当被激光照射时迅速和按需产生单个光子），与能够引导光而不产生明显强度损失的微型电路连接在一个微芯片上。

未来版本的新光子电路将采用低损耗的波导（单光子通过的通道）长达3米，但紧紧盘绕在芯片上。长波导将使研究人员能够更精确地选择光子离开不同通道在特定位置会合的时间间隔（Δt）。

集成光子电路可应用于量子计算机

以最小的损失传输和操纵最小的光单位光子的能力在光通信以及量子计算机的设计中起着关键的作用，量子计算机将使用光而不是电荷来存储和携带信息。

为了创建超低损耗电路，研究人员制作了硅氮化物波导：光子通过的通道，并将其埋入二氧化硅中。这些通道很宽但很浅，这种几何形状减少了光子散落出波导的可能性。将波导封装在二氧化硅中也有助于减少散射。科学家们报告说，他们的原型电路的强度损失仅相当于其他团队制造的类似电路的百分之一。

最终，采用这种新的芯片技术的设备可以利用量子力学的奇怪特性，完成经典（非量子）电路可能无法做到的复杂计算。这究竟是如何实现的呢？

根据量子力学定律，一个光子有概率同时停留在两个不同的地方，如两个不同的波导。这些概率可以用来存储信息；单个光子可以作为一个量子比特，它携带的信息比经典计算机的二进制比特要多得多，后者只限于0或1的值。

为了执行解决计算问题所需的操作，这些光量子比特必须同时到达电路中的特定处理节点。这构成了一个挑战：因为来自不同地点的光子沿着不同的波导在电路中旅行，与处理点的距离可能大不相同。为了确保同时到达，离指定目的地较近的光子必须延迟它们的旅程，让那些位于较远的波导中的光子先行一步。

插图显示了在一个芯片上创建新的超低损耗光子电路的一些步骤。一个微探针从一个芯片上抬起一个含有量子点的砷化镓装置。然后，探针将量子点装置放在另一块芯片上的低损耗氮化银波导上。

采用不同波导，实现更大、更快、更可靠的计算和信息处理

此次NIST研究人员与一个国际合作团队一起设计的电路，允许显著的时间延迟，因为它采用了不同长度的波导，可以将光子存储相对较长的时间段。例如，研究人员计算出，一个3米长的波导（紧密盘绕，因此它在芯片上的直径只有几毫米）将有50%的概率在20纳秒（十亿分之一秒）的时间延迟下传输一个光子。相比之下，以前由其他团队开发的、在类似条件下运行的设备，只能产生百分之一长的时间延迟。

新电路实现的更长的延迟时间对于来自一个或多个量子点的光子需要以相等的时间间隔到达一个特定位置的操作也很重要。此外，低损耗的量子点电路可以极大地增加芯片上可用于携带量子信息的单个光子的数量，从而实现更大、更快、更可靠的计算和信息处理系统。

激光照射在量子点上，触发它们产生一系列单光子，穿过氮化硅波导。

该混合电路由两个部件组成，每个部件最初都建在一个独立的芯片上。其中一个是在NIST设计和制造的砷化镓半导体器件，它承载着量子点，并直接将它们产生的单光子输送到第二个器件：由加州大学圣芭芭拉分校开发的低损耗氮化硅波导。

为了将这两个部件结合起来，麻省理工学院的研究人员首先使用一个拾取和放置微探针的细金属尖端，就像一个微型撬棍，将砷化镓装置从NIST建造的芯片中撬出。然后他们把它放在另一块芯片上的氮化硅电路上。

单光子源与超低损耗波导的整合

进一步优化策略，提升传输效率

研究人员在混合电路能够被常规地应用于光子设备之前面临着几个挑战。目前，只有大约6%的由量子点产生的单个光子可以被输送到电路中。然而，模拟表明，如果研究小组改变光子的漏斗角度，同时改进量子点的定位和方向，该比率可以上升到80%以上。

不过，量子点并不总是以完全相同的波长发射单个光子，这是创造量子计算操作所需的无差别光子的要求。该研究小组正在探索几种策略，包括将一个恒定的电场施加到点上，这可能会缓解这个问题。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35332-z

参考链接：

https://phys.org/news/2023-01-chip-circuit-quantum.html

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