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應用，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（TU Dresden）和萊布尼茨科學院（IKZ）的物理學家在近期這項嚴重中取得了突破，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負責人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?！彼a充道：“這種模式將在未來的技術（如量子計算）中發(fā)揮關鍵作用。PIC將是先導者?！?/p>

之前，量子光子學實驗因大量使用的“塊體光學”而臭名昭著，這些塊體光學密布于光學臺上并占據(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)展前景的技術概念與目前的半導體技術兼容。

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量?！?/p>

此外，HZDR的科學家對相同的單光子發(fā)射器進行了嚴格的材料測試：經(jīng)過幾次冷卻和預熱循環(huán)后，他們沒有觀察到其光學特性出現(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。

為了將這一成果轉化為通用技術，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?！斑@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人Ciarán Fowley博士解釋道。

通過使用這兩種方法，該團隊可以在預定義的位置創(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都表現(xiàn)出穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

科學家們確信，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的一個非常有前途的技術候選者，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)在在技術上已準備就緒，可以在半導體制造廠生產(chǎn)，并可應用于現(xiàn)有的電信基礎設施中。

審核編輯 ：李倩