在不久的將來，量子計算機有望通過數(shù)據(jù)庫搜索、人工智能系統(tǒng)、模擬等新方法，徹底改變我們的計算方式。但要實現(xiàn)這種新穎的量子技術(shù)應(yīng)用，需要能夠有效控制光子的量子態(tài)的光子集成電路，即所謂的量子比特。

來自赫爾姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心（HZDR）、德累斯頓大學(xué)（TU Dresden）和萊布尼茨科學(xué)院（IKZ）的物理學(xué)家在近期這項嚴(yán)重中取得了突破，他們首次展示了在納米級使用硅材料可控制造單光子發(fā)射器。

光子集成電路（簡稱PIC）利用的是光粒子，也就是眾所周知的光子，而不是電子集成電路中的電子。兩者的主要區(qū)別是：光子集成電路應(yīng)用于信息信號，這些信息信號通常被施加在近紅外光譜中的光波長上。

HZDR離子束物理與材料研究所量子技術(shù)負責(zé)人Georgy Astakhov博士表示：“事實上，這些具有許多集成光子器件的PIC能夠在單個芯片上生成、路由、處理和檢測光。”他補充道：“這種模式將在未來的技術(shù)（如量子計算）中發(fā)揮關(guān)鍵作用。PIC將是先導(dǎo)者。”

之前，量子光子學(xué)實驗因大量使用的“塊體光學(xué)”而臭名昭著，這些塊體光學(xué)密布于光學(xué)臺上并占據(jù)了整個實驗室。目前，光子芯片正徹底改變這一情況。小型化、穩(wěn)定性和適合大規(guī)模生產(chǎn)可能會使它們成為現(xiàn)代量子光子學(xué)的主力軍。

從隨機到控制模式

以可控的方式對單光子源進行單片集成將為在PIC中實現(xiàn)數(shù)百萬光子量子比特提供一條有效的資源途徑。為了運行量子計算協(xié)議，這些光子必須無法進行區(qū)別。這樣，工業(yè)級的光子量子處理器生產(chǎn)將變得可行。

然而，目前的制造方法無法讓這一極具發(fā)展前景的技術(shù)概念與目前的半導(dǎo)體技術(shù)兼容。

在大約兩年前的第一次嘗試中，研究人員已經(jīng)能夠在硅晶圓上生成單個光子，但只能以隨機和不可擴產(chǎn)的方式產(chǎn)生。從那時起，他們又進行了很多的研究。物理學(xué)家Nico Klingner博士表示：“現(xiàn)在，我們展示了來自液態(tài)金屬合金離子源的聚焦離子束，如何在晶圓所需的位置放置單光子發(fā)射器，同時又獲得高良率和高光譜質(zhì)量。”

此外，HZDR的科學(xué)家對相同的單光子發(fā)射器進行了嚴(yán)格的材料測試：經(jīng)過幾次冷卻和預(yù)熱循環(huán)后，他們沒有觀察到其光學(xué)特性出現(xiàn)任何退化。這些發(fā)現(xiàn)滿足了以后量產(chǎn)所需的先決條件。

為了將這一成果轉(zhuǎn)化為通用技術(shù)，并允許對原子級別的單個光子發(fā)射器進行晶圓級制造，從而與現(xiàn)有的代工廠制造工藝兼容，該團隊通過光刻定義的掩模在商業(yè)植入機中實施了寬束注入。“這項研究工作可以讓我們能夠利用羅森道夫研究中心的納米制造設(shè)施中的最先進的硅處理潔凈室和電子束***，”潔凈室小組組長兼納米制造和分析負責(zé)人Ciarán Fowley博士解釋道。

通過使用這兩種方法，該團隊可以在預(yù)定義的位置創(chuàng)建數(shù)十個電信單光子發(fā)射器，空間精度約為50納米。它們在具有重要戰(zhàn)略意義的電信O波段發(fā)射，并在連續(xù)波不斷激勵的幾天內(nèi)都表現(xiàn)出穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

科學(xué)家們確信，在硅晶圓中實現(xiàn)單光子發(fā)射器的可控制造使其成為光子量子技術(shù)的一個非常有前途的技術(shù)候選者，其可實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)制造。這些單光子發(fā)射器現(xiàn)在在技術(shù)上已準(zhǔn)備就緒，可以在半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)，并可應(yīng)用于現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施中。

審核編輯 ：李倩