NIST研发了一种新型的量子光子电路芯片设备来处理和传递信息

美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家已经研发出一种新型的量子光子电路芯片设备的底层架构，该设备利用光的量子特性来处理和传递信息。

在《自然通讯》杂志上所描述的研究中，NIST研究人员及其在中国和英国的合作者开发了一类由低损耗波导和单光子源组成的器件，所有这些器件都集成在一个芯片上。由此产生的量子电路架构可能会对光子量子计算和模拟以及度量和通信产生影响。

操作设备包括产生单光子流，将它们发射到波导网络和分束器中，在这些网络中它们被允许相互干扰，然后在网络输出端检测它们。

为了了解这项研究的影响，人们必须了解到，到目前为止，量子信息研究人员已经设计了许多类型的系统来执行量子模拟、计量和通信，这些量子模拟，计量和通信依赖于单个相同光子在大型网络中的干涉波导和分束器。

在这些系统中，光子被注入并将随机移动并相互干扰。最后，他们会出现在网络的输出端口，每个端口的概率是由量子力学决定的。这些概率是实验的最终结果。由于这个过程固有的随机性，实验必须进行很多次，以便可以高可信地确定概率。

不幸的是，有三个可能的不良结果。首先，光子会在组成网络的波导中迷失。另一种可能性是光子在发射到波导中的过程中会丢失。最后一种可能性是，如果光子本身只能以低速率产生光子，那么实验需要运行更长时间。特别是对于非常大的网络，这可能意味着不切实际的长时间运行。

NIST开发的体系结构为这三个问题提供了解决方案，使它们能够更高效地运行，并支持更大规模的系统。为了解决波导中的光子损失，NIST的研究人员使用由氮化硅制成的低损耗波导。为了解决从光源到波导发射的光子丢失的问题，NIST的研究人员将光源直接放在芯片上，并创建了一个几何图形，以便高效地将其直接发射到氮化硅波导中。

为了克服光子产生率低的第三个问题，NIST团队制造了一种基于一种量子点的单光子源，该量子点已被证明能够按需和高速产生不可区分的单光子（尽管在低温下） 。

Marcelo Davanç，NIST的研究科学家和论文的第一作者说：“这一切都是通过成熟的，已经建立的集成光子制造技术完成的，以前这种技术已经用于非量子应用，并且具有可扩展性 - 这意味着它们可以生产大量具有大量单个元件的电路。”

据Davanço介绍，这种器件架构和以前的架构之间的主要区别在于光子源是片上的，而在绝大多数其他架构中，光子是在片外产生的，然后被注入（多次不是很好效率）纳入片上波导网络。

Davanço还认为，他们的架构比其他包含片上单光子源的架构具有优势。Davanço说： “主要原因是我们使用了两种具有高性能的材料，我们找到了一种将它们组合在一个芯片上的方法，它们的个性（和互补性）不会受到损害，几乎可以用于他们的充分的潜力，。”

量子点性能优越的一个重要原因是它们被封装在半导体材料砷化镓（GaAs）的深处，据Davanço说。砷化镓也是有利的，因为它具有高折射率，这使得可以产生能够有效地捕获由嵌入的量子点产生的光子的几何形状。

虽然砷化镓在提高量子点方面可能很棒，但它并不是制造低损耗波导的好材料。如果一个光子由GaAs中的量子点产生，然后被发射到GaAs波导中，这个光子很快就会被散射出波导，或者在材料传播时被其吸收。

“我们解决这个问题的办法是制作一个GaAs结构，既可以有效地捕获由嵌入的量子点发射的光子，又可以以高效率将它们发射到由不同材料（氮化硅）制成的波导中的另一种结构，也被称为提供相当低的光子损失。”Davanço解释说。

在进一步的研究中，他们的目标是在其中制造具有单个量子点的器件，而不是像文中那样大量地制造器件。 Davanço补充说：“这将使我们能够更好地了解我们在架构中可以实现的不可分辨性水平。”