量子光子学的新突破预示着光电路时代的到来

　　编译/文龙
　　现代世界由「芯片」上的集成电路所驱动，从手机、计算机、智能机器到互联网都需要半导体芯片的支持。预计到2025年，人类每天可能创造出175ZB（万亿千兆字节）的新数据。那么，依照当前有限的计算机算力，我们要如何确保如此大量敏感数据的安全性呢？我们又该如何利用这些数据来解决诸如突发疫情这样的挑战呢？
　　答案或许是用新兴的量子通信和计算技术替代传统的集成电路。为了实现这一点，需要广泛开发功能强大的新型量子光学电路，使得我们每天生成的大量信息能够被安全、高效地处理。南加州大学莫克家族化学工程与材料科学系的研究人员在帮助实现该技术方面取得了重大突破。
　　传统电路是电子在电荷间流动的路径，而量子光电路则是使用光源按需生成单次单个的光子，这些光子充当信息携带位，即量子位。光源指的是纳米级半导体「量子点」——数以万计甚至百万计的原子堆积在仅有人发厚度千分之一的体积内的微型工业品 。
　　图｜量子点（来源：qnatechnology）
　　量子点现已被证明是最通用的按需单光子发生器。光学电路要求将这些单光子源必须以规定的模式布置在半导体芯片上，并且沿引导方向释放具有近似波长的光子。通过操纵光子与其他光子形成相互作用，达到传输和处理信息的目的。
　　迄今为止，量子光电路的开发一直存在很大的障碍。在当前的制造技术中，量子点具有不同的尺寸和形状，并被随机组装在芯片的任意位置上。具有不同的大小和形状意味着它们释放的光子不具有均匀的波长，再加上位置顺序的不固定，使得量子点不适用于光学电路的开发。
　　南加州大学的最新研究表明，可以实现量子点以精确模式排列并以均匀的方式发射单个光子。应当指出，对准量子点的方法是由首席信息官Anupam Madhukar教授及其团队于近30年前在USC首次开发的，命名为SESRE（衬底编码的尺寸减小外延）。在这项最新研究中，USC团队同样采取了SESRE这种方法来创建具有出色的单光子发射特性的单量子点。精确排列能够均匀发射光子的量子点将使光电路的生产成为可能，这是量子计算和通信技术的一大进展。
　　该研究成果发表在APL Photonics，作者是目前在莫克家族化学工程和材料科学系担任研究助理教授的张杰非（音译）、Anupam Madhukar教授以及化学工程、电气工程、材料科学和物理学教授Kenneth T. Norris。
　　张教授说：「这一突破从单光子物理学的实验室演示向量子光电路的芯片制造前进了一步，在量子（安全）通信、成像、传感以及量子模拟和计算中都具有潜在的应用场景。」
　　Madhukar提到必须以精确的方式对量子点进行排序，以便可以操纵从任何两个或多个量子点释放的光子在芯片上相互作用。这将构成量子光电路组成单元的基础，「如果光子源是随机放置的，则无法做到这一点。」
　　「硅制集成电子芯片让我们能够使用像Zoom这样的技术平台进行在线交流。如果这些芯片上的晶体管未放置在准确的位置上，则不会形成集成电路。对使用量子点这类光子源创建量子光学电路来说，要求相同。」
　　这项研究得到了美国空军科学研究所（AFOSR）和美国陆军研究处（ARO）的支持。
　　ARO办公室项目经理Evan Runnerstrom表示：「这一进展是一个重要的例子，说明了解决精确排列量子点这类基础材料科学的挑战是如何对量子计算等技术产生重大影响的。这显示了ARO在基础研究方面的投资是如何支持陆军在网络等领域持续进行的现代化努力。」
　　为了能够精确设计出电路中量子点的布局，该团队使用了Madhukar团队早期开发的SESRE方法，在由砷化镓（GaAs）组成的扁平半导体衬底上制造了具有确定的边缘方向、侧壁形状和深度的规则尺寸的纳米台面阵列。然后，通过使用以下技术添加适当的原子，在台面顶部创建量子点。
　　首先，传入的镓（Ga）原子在表面能的吸引作用下聚集在纳米级台面顶部，沉积GaAs。然后，将传入转换为铟（In）原子，依次沉积砷化铟（InAs），然后再沉积Ga原子以形成GaAs，从而形成最终释放单个光子的所需单个量子点。为了用于创建光电路，需要使用能使表面变平的材料对金字塔形纳米台面之间的空间进行填充。不透明的GaAs在最终的芯片中充当位于量子点下的半透明覆盖层。
　　图｜GaAs在具有基座的台面上生长（来源：论文）
　　张教授说：「这项工作还创下了可扩展的有序量子点的新世界纪录，其同时发射的单光子纯度大于99.5％，并且所发射光子的波长均匀性可以达到1.8nm的窄度，比传统的量子点好20到40倍。」
　　以这种均匀性，使用诸如局部加热或电场之类的既定方法来微调量子点的光子波长以实现精确匹配变得可行，这对于在电路的不同量子点之间创建所需的互连是必需的。
　　这意味着研究人员将首次使用成熟的半导体处理技术来创建可扩展的量子光子芯片。此外，该团队现在的工作重点是如何识别从相同和/或不同量子点发出的光子。光子的不可分辨程度是干扰和纠缠量子效应的核心，也是量子信息处理（通信、感应、成像或计算）的基础。
　　张教授总结道：「我们现在有了方法和平台，可以提供可扩展的有序的光子源，能够为量子信息的潜在应用生成不可区分的单光子。该方法是通用的，可用于其他合适的材料组合以创建在一个或多个分子上发射的量子点。广泛的波长范围使其能够适用于不同的应用场景，例如光纤通信或中红外线适合环境监测和医学诊断。」
　　AFOSR计划的官员Gernot S. Pomrenke表示，芯片上按需单光子源阵列是向前迈出的重要一步。
　　「在量子信息研究成为主流之前，在材料科学方面实现这样的成就需要三十多年的奉献。AFOSR的初始资金和来自其他国防部机构的资源对于Madhukar和他的学生实现这项具有挑战性的工作和构想而言至关重要。这项工作极有可能彻底改变数据中心、医学诊断、国防以及相关技术。」
　　论文链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0018422
　　原文地址：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uosc-biq020521.php
　　作者：UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA