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量子光子學(xué)迎來(lái)突破有望開(kāi)創(chuàng)強(qiáng)大光學(xué)電路新時(shí)代

2021-04-12 11:20:58來(lái)源：cnBeta 關(guān)鍵詞：光學(xué)電路量子通信閱讀量：21564

導(dǎo)讀：在目前的制造技術(shù)中，量子點(diǎn)具有不同的尺寸和形狀，并以隨機(jī)的位置組裝在芯片上。

　　一種使用光子--光粒子--實(shí)現(xiàn)量子光學(xué)電路的方法，預(yù)示著安全通信和量子計(jì)算的新未來(lái)?，F(xiàn)代世界是由 "芯片"上的電子電路驅(qū)動(dòng)的，也就是我們常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和其他應(yīng)用中的基礎(chǔ)半導(dǎo)體芯片。在2025年，人類(lèi)預(yù)計(jì)將創(chuàng)造175ZettaBytes(175萬(wàn)億GB)的新數(shù)據(jù)。

　　在如此大的數(shù)據(jù)量下，我們?nèi)绾未_保敏感數(shù)據(jù)的安全？我們又如何利用這些數(shù)據(jù)來(lái)解決從隱私、安全到氣候變化等類(lèi)似大挑戰(zhàn)的問(wèn)題？尤其是考慮到當(dāng)前計(jì)算機(jī)的能力有限的情況下。

　　一個(gè)很有希望的選擇是新興的量子通信和計(jì)算技術(shù)。然而，要做到這一點(diǎn)，就需要廣泛開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的新型量子光學(xué)電路；這種電路能夠安全地處理我們每天產(chǎn)生的大量信息。南加州大學(xué)莫克家族化學(xué)工程和材料科學(xué)系的研究人員已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，幫助實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)。

　　傳統(tǒng)的電路是電荷中的電子沿著一條路徑流動(dòng)，而量子光路則使用光源，按需、逐次產(chǎn)生單個(gè)光粒子或光子，作為信息攜帶位(量子位或qubits)。這些光源是納米大小的半導(dǎo)體 "量子點(diǎn)"--由數(shù)萬(wàn)到一百萬(wàn)個(gè)原子組成的微小的制造集合，其線性尺寸小于典型人類(lèi)頭發(fā)厚度的千分之一，埋在另一種合適的半導(dǎo)體矩陣中。

　　迄今為止，它們已被證明是通用的按需單光子發(fā)生器。光路要求這些單光子源以規(guī)則的模式排列在半導(dǎo)體芯片上。然后，來(lái)自光源的波長(zhǎng)幾乎相同的光子必須以引導(dǎo)的方向釋放。這樣就可以操縱它們與其他光子和粒子形成相互作用來(lái)傳輸和處理信息。

　　直到現(xiàn)在，這類(lèi)電路的開(kāi)發(fā)還存在著很大的障礙。例如，在目前的制造技術(shù)中，量子點(diǎn)具有不同的尺寸和形狀，并以隨機(jī)的位置組裝在芯片上。事實(shí)上，這些點(diǎn)具有不同的尺寸和形狀，意味著它們釋放的光子沒(méi)有統(tǒng)一的波長(zhǎng)。這一點(diǎn)和位置順序的缺乏使它們不適合用于開(kāi)發(fā)光電路。

　　在最近發(fā)表的工作中，美國(guó)南加州大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，單光子可以非常精確地排列，量子點(diǎn)以均勻的方式發(fā)射出來(lái)。需要指出的是，排列量子點(diǎn)的方法是由首席PI阿努帕姆-馬杜卡教授和他的團(tuán)隊(duì)在近三十年前首先在南加州大學(xué)開(kāi)發(fā)出來(lái)的，這遠(yuǎn)早于目前量子信息的爆炸性研究活動(dòng)和對(duì)片上單光子源的興趣。在這項(xiàng)新的工作中，南加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用這種方法創(chuàng)造了單量子點(diǎn)，其單光子發(fā)射特性非常顯著。預(yù)計(jì)，能夠精確地排列均勻發(fā)射的量子點(diǎn)，將使光電路的生產(chǎn)成為可能，有可能帶來(lái)量子計(jì)算和通信技術(shù)的新進(jìn)展。

　　這項(xiàng)研究進(jìn)展發(fā)表在《APL Photonics》上的工作由現(xiàn)任莫克家族化學(xué)工程和材料科學(xué)系研究助理教授的Jiefei Zhang領(lǐng)導(dǎo)，通訊作者是Kenneth T. Norris工程學(xué)教授和化學(xué)工程、電氣工程、材料科學(xué)和物理學(xué)教授Anupam Madhukar。

　　量子點(diǎn)必須以精確的方式進(jìn)行排序，以便可以操縱任何兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)釋放的光子在芯片上相互連接。這將構(gòu)成量子光路的構(gòu)建單元的基礎(chǔ)。這項(xiàng)工作還創(chuàng)造了有序可擴(kuò)展的量子點(diǎn)的新的世界紀(jì)錄，在單光子發(fā)射的同時(shí)純度大于99.5%，在發(fā)射光子的波長(zhǎng)均勻性方面，可以窄至1.8nm，比典型的量子點(diǎn)提高了20到40倍。有了這種均勻性，應(yīng)用局部加熱或電場(chǎng)等既有方法對(duì)量子點(diǎn)的光子波長(zhǎng)進(jìn)行微調(diào)，使其完全匹配，這對(duì)于在不同量子點(diǎn)之間創(chuàng)建電路所需的互連變得可行。

　　這意味著，研究人員首次可以利用成熟的半導(dǎo)體處理技術(shù)制造出可擴(kuò)展的量子光子芯片。此外，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在的工作重點(diǎn)是建立來(lái)自相同和/或不同量子點(diǎn)的發(fā)射光子的相同程度。不可分辨性的程度是干擾和糾纏的量子效應(yīng)的核心，是量子信息處理--通信、傳感、成像或計(jì)算的基礎(chǔ)。

　　(原標(biāo)題：量子光子學(xué)迎來(lái)突破有望開(kāi)創(chuàng)強(qiáng)大光學(xué)電路新時(shí)代)

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