让光子器件生产变得可控

在不久的将来，量子计算机有望通过数据库搜索、人工智能系统、模拟等新方法，彻底改变我们的计算方式。但要实现这种新颖的量子技术应用，需要能够有效控制光子的量子态的光子集成电路，即所谓的量子比特。

来自赫尔姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）、德累斯顿大学（TU Dresden）和莱布尼茨科学院（IKZ）的物理学家在近期这项严重中取得了突破，他们首次展示了在纳米级使用硅材料可控制造单光子发射器。

光子集成电路（简称PIC）利用的是光粒子，也就是众所周知的光子，而不是电子集成电路中的电子。两者的主要区别是：光子集成电路应用于信息信号，这些信息信号通常被施加在近红外光谱中的光波长上。

HZDR离子束物理与材料研究所量子技术负责人Georgy Astakhov博士表示：“事实上，这些具有许多集成光子器件的PIC能够在单个芯片上生成、路由、处理和检测光。”他补充道：“这种模式将在未来的技术（如量子计算）中发挥关键作用。PIC将是先导者。”

之前，量子光子学实验因大量使用的“块体光学”而臭名昭著，这些块体光学密布于光学台上并占据了整个实验室。目前，光子芯片正彻底改变这一情况。小型化、稳定性和适合大规模生产可能会使它们成为现代量子光子学的主力军。

从随机到控制模式

以可控的方式对单光子源进行单片集成将为在PIC中实现数百万光子量子比特提供一条有效的资源途径。为了运行量子计算协议，这些光子必须无法进行区别。这样，工业级的光子量子处理器生产将变得可行。

然而，目前的制造方法无法让这一极具发展前景的技术概念与目前的半导体技术兼容。

在大约两年前的第一次尝试中，研究人员已经能够在硅晶圆上生成单个光子，但只能以随机和不可扩产的方式产生。从那时起，他们又进行了很多的研究。物理学家Nico Klingner博士表示：“现在，我们展示了来自液态金属合金离子源的聚焦离子束，如何在晶圆所需的位置放置单光子发射器，同时又获得高良率和高光谱质量。”

此外，HZDR的科学家对相同的单光子发射器进行了严格的材料测试：经过几次冷却和预热循环后，他们没有观察到其光学特性出现任何退化。这些发现满足了以后量产所需的先决条件。

为了将这一成果转化为通用技术，并允许对原子级别的单个光子发射器进行晶圆级制造，从而与现有的代工厂制造工艺兼容，该团队通过光刻定义的掩模在商业植入机中实施了宽束注入。“这项研究工作可以让我们能够利用罗森道夫研究中心的纳米制造设施中的最先进的硅处理洁净室和电子束***，”洁净室小组组长兼纳米制造和分析负责人Ciarán Fowley博士解释道。

通过使用这两种方法，该团队可以在预定义的位置创建数十个电信单光子发射器，空间精度约为50纳米。它们在具有重要战略意义的电信O波段发射，并在连续波不断激励的几天内都表现出稳定的运行状态。

科学家们确信，在硅晶圆中实现单光子发射器的可控制造使其成为光子量子技术的一个非常有前途的技术候选者，其可实现大规模量产制造。这些单光子发射器现在在技术上已准备就绪，可以在半导体制造厂生产，并可应用于现有的电信基础设施中。

审核编辑 ：李倩