光子波。图像/维基共享
现代世界是由“芯片”上的电路驱动的，这种半导体芯片支撑着计算机、手机、互联网和其他应用。在2025年在美国，人类预计将创造175泽字节(175万亿gb)的新数据．我们如何确保如此海量敏感数据的安全?我们如何利用这些数据，特别是考虑到目前计算机的能力有限，来解决从隐私和安全到气候变化等重大挑战问题?
一个有希望的替代方案是新兴的量子通信和计算技术．然而，要实现这一点，就需要广泛开发功能强大的新型量子光学电路;能够安全地处理我们每天产生的大量信息的电路。南加州大学化学工程和材料科学系莫克家族的研究人员在帮助实现这项技术方面取得了突破。
传统电路是电荷电子流过的路径，而量子光学电路使用光源，按需产生单个光粒子或光子，一次一个，充当携带比特(量子比特或量子位)的信息。这些光源是纳米尺寸的半导体“量子点”——由数万到100万个原子组成的微小人造集合，它们被包裹在一个线性尺寸小于人类头发厚度千分之一的体积中，埋在另一个合适的半导体基质中。
到目前为止，它们已被证明是最通用的按需单光子发生器。光电路要求这些单光子源以规则的方式排列在半导体芯片上。来自光源的波长几乎相同的光子必须在引导方向上释放。这使得它们可以被操纵，与其他光子和粒子形成相互作用，以传输和处理信息。
到目前为止，这种电路的发展还存在一个重大障碍。例如，在目前的制造技术中，量子点具有不同的大小和形状，并在随机位置上组装在芯片上。事实上，这些点有不同的大小和形状，这意味着它们释放的光子没有统一的波长。这和缺乏位置顺序使它们不适合用于光学电路的开发。
在最近发表的研究中，南加州大学的研究人员已经证明，单光子确实可以从以精确模式排列的量子点以统一的方式发射出来。值得注意的是，对齐量子点的方法是由南加州大学的首席PI Anupam Madhukar教授和他的团队在近30年前首次开发的，远远早于目前量子信息的爆炸性研究活动和对片上单光子源的兴趣。在这项最新的工作中，USC团队使用这种方法创建了单量子点，具有显著的单光子发射特性。预计精确对齐均匀发射量子点的能力将使光学电路的生产成为可能，可能导致量子计算和通信技术的新进展。
Jiefei张
这项研究发表在APL光子学，由Jiefei张现任莫克家族化学工程与材料科学系研究助理教授，与通讯作者Anupam MadhukarKenneth T. Norris工程教授、化学工程、电气工程、材料科学和物理学教授。
张说:“这一突破为下一步从单光子物理的实验室演示到芯片级量子光子电路的制造铺平了道路。”“这在量子(安全)通信、成像、传感以及量子模拟和计算方面具有潜在应用。”
Madhukar说，量子点以精确的方式排列是至关重要的，这样从任何两个或多个量子点释放的光子都可以被控制在芯片上相互连接。这将构成构建量子光学电路单元的基础。
“如果光子的来源是随机的，这就不可能发生。”Madhukar说。
“目前允许我们在线交流的技术，例如使用Zoom等技术平台，是基于硅集成电子芯片的。如果芯片上的晶体管没有被放置在精确设计的位置，就不会有集成电路，”Madhukar说。“对于量子点等光子源来说，创建量子光学电路也是同样的要求。”
该研究得到了空军科学研究办公室(AFOSR)和美国陆军研究办公室(ARO)。
美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室下属的陆军研究办公室项目经理Evan Runnerstrom说:“这一进展是解决基本材料科学挑战的重要例子，比如如何创建具有精确位置和组成的量子点，可以对量子计算等技术产生重大的下游影响。”“这表明，ARO公司在基础研究方面的定向投资如何支持陆军在网络等领域的持久现代化努力。”
为了为电路创建精确的量子点布局，该团队使用了一种称为衬底编码小尺寸外延在Madhukar集团在20世纪90年代初。在目前的工作中，该团队在由砷化镓(GaAs)组成的平板半导体衬底上制作了规则的纳米级台面阵列(图1(a))，具有确定的边缘方向、形状(侧壁)和深度。然后，通过使用以下技术添加适当的原子，在台面上创建量子点。
数字(a)在平面半导体衬底上创建的起始纳米级台面阵列的扫描电子显微镜(SEM)图像;(b)材料沉积过程中台面剖面演化示意图，黑色箭头表示原子迁移方向，首先导致GaAs尺寸缩小(SESRE方法)，然后切换到量子点材料InAs(红色)在尺寸缩小的台面顶部沉积，然后返回GaAs以掩埋红色InAs;下面是包含单个量子点的台面的扫描电镜图像;(c)表示已实现的埋在平面化GaAs表面下的量子点阵列，象征性地显示为半透明覆盖层，以实现可视化(GaAs是不透明的)。
首先，进入的镓(Ga)原子被表面能力吸引聚集在纳米尺度台面的顶部(图1(b)中的黑色箭头)，在那里沉积GaAs(图1(b)台面顶部的黑色轮廓)。然后，进入的通量被切换到铟(In)原子，依次沉积砷化铟(InAs)(图1(b)中的红色区域)，接着是Ga原子，形成GaAs，从而产生所需的单个量子点(图1(b)中的上图像)，最终释放单光子。为了对创建光学电路有用，金字塔形纳米台面之间的空间需要用压平表面的材料填充。最后的芯片如图1(c)所示，其中不透明的砷化镓被描绘为一个半透明的覆盖层，量子点位于其下。
张说:“这项工作还创造了有序和可伸缩量子点的新世界纪录，单光子发射的同时纯度大于99.5%，发射光子波长的均匀性可窄至1.8nm，比典型的量子点好20到40倍。”
张说，有了这种均匀性，应用现有的方法，如局部加热或电场，来微调量子点的光子波长，使彼此完全匹配，这对于在不同的量子点之间创建所需的电路互连是必要的。
这意味着研究人员第一次可以使用成熟的半导体处理技术创建可扩展的量子光子芯片。此外，该团队现在的工作重点是确定来自相同和/或来自不同量子点的发射光子的相同程度。不可区分的程度是干涉和纠缠的量子效应的核心，它们支撑着量子信息处理——通信、传感、成像或计算。
Zhang总结道:“我们现在有了一种方法和材料平台，可以为量子信息应用提供可扩展和有序的源，产生可能无法区分的单光子。这种方法是通用的，可以用于其他合适的材料组合，以创建在不同应用中首选的宽波长范围内发射的量子点，例如基于光纤的光通信或中红外体系，适用于环境监测和医疗诊断，”张说。
AFOSR光电子和光子学项目官员Gernot S. Pomrenke表示，芯片上按需单光子源的可靠阵列是向前迈出的一大步。
Pomrenke说:“在量子信息的研究活动成为主流之前，这种令人印象深刻的增长和材料科学工作已经持续了30多年的努力。”“最初的AFOSR资金和来自其他国防部机构的资源对于实现Madhukar、他的学生和合作者具有挑战性的工作和愿景至关重要。这项工作很有可能会彻底改变数据中心、医疗诊断、国防和相关技术的能力。”
这篇论文的合作者包括黄琦和南加州大学莫克家族化学工程和材料科学系的Lucas Jordao，电子和计算机工程系的Swarnabha Chattaraj以及IBM Thomas J. Watson研究中心的Siyuan Lu。
出版于2021年2月3日
最后更新于2021年12月7日
