实验室开发单光子片上生成新方法

随着人们对量子未来的关注度越来越高，各地的研究人员都在加班加点地探索如何最好地释放超定位、纠缠、隧穿或其他准备就绪的量子粒子的前景，这些粒子能够以两种方式出现状态立即可以在许多应用中极大地扩展功率和效率。

然而，从发展的角度来看，今天的量子设备“大约是1950年代计算机的位置”，也就是说，这是一个开始。这是根据六年级博士KamyarParto的说法。加州大学圣巴巴拉分校GalanMoody实验室的学生，量子光子学专家和电气与计算机工程助理教授。

Parto是发表在NanoLetters杂志上的一篇论文的共同主要作者，描述了一项关键进展：开发一种用于产生稳定、快速的单光子流的片上“工厂”，这对于实现基于光子的量子技术。

在计算机发展的早期阶段，Parto解释说，“研究人员刚刚制造出晶体管，他们对如何制造数字开关有了想法，但平台有点薄弱。不同的小组开发了不同的平台，最终，每个人​​都趋同了在CMOS(互补金属氧化物半导体)上。然后，我们在半导体周围发生了巨大的爆炸。”

“量子技术处于类似的位置——我们有想法和感觉我们可以用它做什么，而且有许多竞争平台，但还没有明确的赢家，”他继续道。“你有超导量子比特、硅中的自旋量子比特、静电自旋量子比特和基于离子阱的量子计算机。微软正在尝试做拓扑保护的量子比特，而在穆迪实验室，我们正在研究量子光子学。”

Parto预测，获胜的平台将是不同平台的组合，因为每个平台都很强大，但也有局限性。“例如，使用量子光子学传输信息非常容易，因为光喜欢移动，”他说。

“然而，自旋量子比特可以更轻松地存储信息并对其进行一些本地‘操作’，但你无法移动这些数据。那么，我们为什么不尝试使用光子学来传输数据呢?更好地存储它的平台，然后在它出现后再次将其转换为另一种格式?”

量子比特，那些行为奇怪的量子技术驱动器，当然不同于经典比特，后者只能以零或一的单一状态存在。量子位可以同时为一和零。帕托说，在光子学领域，可以使单个光子既存在(状态一)又不存在(状态零)。

这是因为单个光子构成了所谓的双能级系统，这意味着它可以存在于零态、一态或任何组合中，例如50%的一和50%的零，或者可能是80%的一和20%零。这可以在Moody组中常规完成。挑战在于以非常高的效率生成和收集单个光子，例如使用波导将它们路由到芯片上。波导的作用正如其名称所暗示的那样，将光引导到需要去的地方，就像电线引导电流一样。

Parto解释说：“如果我们将这些单个光子放入许多不同的波导中——每个波导上有一千个单个光子——并且我们可以编排光子如何沿着芯片上的波导传播，我们就可以进行量子计算。”

虽然使用波导在芯片上路由光子相对简单，但隔离单个光子并不容易，而且建立一个快速高效地产生数十亿个光子的系统要困难得多。这篇新论文描述了一种技术，该技术利用一种特殊现象来产生单光子，其效率远高于以前的水平。

“这项工作是关于放大这些单光子的产生，以便它们对实际应用有用，”Parto说。“这篇论文中描述的突破是，我们现在可以在室温下可靠地产生单光子，其方式适合于CMOS(的大规模生产过程)。”

产生单光子的方法有很多种，但Parto和他的同事们正在通过使用某些二维(2D)半导体材料中的缺陷来实现这一点，这些材料只有一个原子厚，实质上是去除一点材料来创建一个缺点。

“如果你将光(由激光产生)照射到正确类型的缺陷上，材料将通过发射单个光子做出响应，”Parto说。“材料中的缺陷充当所谓的速率限制状态，这使得它能够像工厂一样一次推出单个光子。”一个光子可能每3到5纳秒产生一次，但研究人员还不确定这个速率，而获得博士学位的Parto认为。关于工程此类缺陷的主题，他说目前的速度可能要慢得多。

二维材料的一大优势是它们有助于在特定位置将缺陷设计到它们中。此外，Parto说：“这些材料非常薄，您可以将它们捡起并放在任何其他材料上，而不受3D晶体材料的晶格几何形状的限制。这使得2D材料非常容易集成，这是我们的能力显示在本文中。”

为了制造有用的设备，二维材料上的缺陷必须以极高的精度放置在波导中。“材料上有一个点可以从缺陷中产生光，”帕托指出，“我们需要让那个单个光子进入波导。”

研究人员尝试以多种方式做到这一点，例如，将材料放在波导上，然后寻找现有的单个缺陷，但即使缺陷精确对齐并位于正确的位置，提取效率也将是只有20%到30%。这是因为单个缺陷只能以一种特定的速率发射，并且一些光以倾斜的角度发射，而不是直接沿着波导的路径发射。该设计的理论上限仅为40%，但为量子信息应用制作有用的设备需要99.99%的提取效率。

“来自缺陷的光本质上无处不在，但我们更喜欢它照射到这些波导中，”Parto解释道。“我们有两种选择。如果你把波导放在缺陷的顶部，也许百分之十到十五的光会进入波导。这还不够。但是有一种物理现象，叫做珀塞尔效应，我们可以利用它以提高这种效率并将更多的光引导到波导中。您可以通过将缺陷放置在光学腔内来实现这一点——在我们的例子中，它的形状是微环形谐振器，这是唯一允许您的腔体之一将光耦合进出波导。”

“如果空腔足够小，”他补充说，“它将挤出电磁场的真空波动，而这些波动就是导致光子从缺陷自发发射到光模式的原因。通过压缩量子波动进入有限体积的空腔，缺陷的波动增加，导致它优先将光发射到环中，在那里它加速并变得更亮，从而提高提取效率。”

在为本文完成的使用微环形谐振器的实验中，该团队实现了46%的提取效率，这比之前的报告提高了一个数量级。

“我们对这些结果感到非常鼓舞，因为二维材料中的单光子发射器解决了其他材料在可扩展性和可制造性方面面临的一些突出挑战，”穆迪说。“在短期内，我们将探索将它们用于量子通信中的几个不同应用，但从长远来看，我们的目标是继续开发这个用于量子计算和网络的平台。”

为此，该团队需要将效率提高到99%以上，而实现这一目标需要更高质量的氮化物谐振环。“为了提高效率，当你从氮化硅薄膜中切出环时，你需要把它弄平，”Parto解释道。“然而，如果材料本身不是完全结晶的，即使你试图在原子水平上对其进行平滑处理，表面仍然可能看起来很粗糙，像海绵一样，导致光线从它们身上散射开来。”

虽然有些团体通过从完美生长氮化物的公司购买获得最高质量的氮化物，但Parto解释说，“我们必须自己生长，因为我们必须将缺陷置于材料之下，而且，我们正在使用一种特殊的一种氮化硅，可以最大限度地减少单光子应用的背景光，而这些公司并没有这样做。”

Parto可以在UCSB洁净室的等离子增强化学气相沉积炉中生长他的氮化物，但由于它是一个经常使用的共享设施，他无法自定义一些设置来让他生长足够质量的材料。他说，计划是利用这些结果申请新的资助，这将使“获得我们自己的工具并雇用学生来完成这项工作”成为可能。