光芯片电路可应用于量子计算

以最小的损失传输和操纵光的最小单位——光子——的能力在光通信以及使用光而不是电荷来存储和携带信息的量子计算机的设计中起着关键作用。

现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员及其同事已经在单个微芯片上将量子点(人造原子，在被激光照射时可以快速按需产生单个光子)与微型电路连接起来，这些微型电路可以引导光线而不会明显损失强度。

为了创建超低损耗电路，研究人员制造了氮化硅波导——光子通过的通道——并将它们埋在二氧化硅中。通道很宽但很浅，这种几何形状降低了光子从波导中散射出来的可能性。将波导封装在二氧化硅中也有助于减少散射。

科学家们报告说，他们的原型电路的强度损失仅相当于其他团队制造的类似电路(也使用量子点)的百分之一。

最终，采用这种新芯片技术的设备可以利用量子力学的奇异特性来执行经典(非量子)电路可能无法执行的复杂计算。

插图显示了在芯片上创建新的超低损耗光子电路的一些步骤。一个微探针从一个芯片上提起一个包含量子点(产生单光子的人造原子)的砷化镓装置。然后探针将量子点设备放置在另一个芯片上构建的低损耗氮化银波导之上。图片来源：S. Kelley/NIST

例如，根据量子力学定律，单个光子有可能同时驻留在两个不同的地方，例如两个不同的波导。这些概率可以用来存储信息;一个单独的光子可以作为一个量子位或量子位，它携带的信息比经典计算机的二进制位要多得多，经典计算机的值仅限于 0 或 1。

为了执行解决计算问题所必需的操作，这些光子量子位——所有这些都以相同的速度行进并且彼此无法区分——必须同时到达电路中的特定处理节点。这带来了挑战，因为来自不同位置的光子——并沿着不同的波导传播——穿过电路可能与处理点的距离明显不同。为了确保同时到达，靠近指定目的地发射的光子必须延迟它们的旅程，让位于更远的波导中的光子抢先一步。

由包括 Ashish Chanana 和 Marcelo Davanco 在内的 NIST 研究人员以及一个国际同事团队设计的电路允许显着的时间延迟，因为它采用了不同长度的波导，可以在相对较长的时间内存储光子。例如，研究人员计算出一个 3 米长的波导(紧密盘绕，因此它在芯片上的直径只有几毫米)有 50% 的概率传输延迟为 20 纳秒(十亿分之一的光子)的光子第二)。相比之下，以前由其他团队开发并在类似条件下运行的设备只能产生百分之一的时间延迟。

新电路实现的更长延迟时间对于来自一个或多个量子点的光子需要以相等间隔的时间间隔到达特定位置的操作也很重要。此外，低损耗量子点电路可以显着增加芯片上可用于携带量子信息的单光子数量，从而实现更大、更快、更可靠的计算和信息处理系统

包括来自加州大学圣巴巴拉分校 (UCSB)、麻省理工学院 (MIT)、韩国科学技术学院和巴西圣保罗大学的研究人员在内的科学家们于 12 月 11 日在《自然》杂志上报告了他们的发现通讯。

混合电路由两个组件组成，每个组件最初都构建在一个单独的芯片上。一种是在 NIST 设计和制造的砷化镓半导体器件，承载量子点并将它们产生的单个光子直接汇集到第二个器件中——UCSB 开发的低损耗氮化硅波导。

为了将这两个组件结合起来，麻省理工学院的研究人员首先使用拾放微探针的精细金属尖端，就像一个微型撬棍，从 NIST 制造的芯片上撬开砷化镓设备。然后他们将其放置在另一个芯片上的氮化硅电路之上。

在混合电路可以常规用于光子设备之前，研究人员面临着几个挑战。目前，量子点产生的单个光子中只有大约 6% 可以汇集到电路中。然而，模拟表明，如果该团队改变光子汇集的角度，同时改进量子点的定位和方向，该比率可能会上升到 80% 以上。

另一个问题是量子点并不总是以完全相同的波长发射单个光子，这是创建量子计算操作所需的不可区分光子的要求。该团队正在探索几种策略，包括对点施加恒定电场，这可能会缓解该问题。