讓光子器件生產(chǎn)變得可控

在不久的將來(lái)，量子計(jì)算機(jī)有望通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、人工智能系統(tǒng)、模擬等新方法，徹底改變我們的計(jì)算方式。但要實(shí)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(lái)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(xiàng)嚴(yán)重中取得了突破，他們首次展示了在納米級(jí)使用硅材料可控制造單光子發(fā)射器。

光子集成電路（簡(jiǎn)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(hào)，這些信息信號(hào)通常被施加在近紅外光譜中的光波長(zhǎng)上。

HZDR離子束物理與材料研究所量子技術(shù)負(fù)責(zé)人Georgy Astakhov博士表示：“事實(shí)上，這些具有許多集成光子器件的PIC能夠在單個(gè)芯片上生成、路由、處理和檢測(cè)光?！彼a(bǔ)充道：“這種模式將在未來(lái)的技術(shù)（如量子計(jì)算）中發(fā)揮關(guān)鍵作用。PIC將是先導(dǎo)者?！?/p>

之前，量子光子學(xué)實(shí)驗(yàn)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(tái)上并占據(jù)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(huì)使它們成為現(xiàn)代量子光子學(xué)的主力軍。

從隨機(jī)到控制模式

以可控的方式對(duì)單光子源進(jìn)行單片集成將為在PIC中實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)光子量子比特提供一條有效的資源途徑。為了運(yùn)行量子計(jì)算協(xié)議，這些光子必須無(wú)法進(jìn)行區(qū)別。這樣，工業(yè)級(jí)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(wú)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(gè)光子，但只能以隨機(jī)和不可擴(kuò)產(chǎn)的方式產(chǎn)生。從那時(shí)起，他們又進(jìn)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(lái)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(shí)又獲得高良率和高光譜質(zhì)量?！?/p>

此外，HZDR的科學(xué)家對(duì)相同的單光子發(fā)射器進(jìn)行了嚴(yán)格的材料測(cè)試：經(jīng)過(guò)幾次冷卻和預(yù)熱循環(huán)后，他們沒(méi)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(duì)原子級(jí)別的單個(gè)光子發(fā)射器進(jìn)行晶圓級(jí)制造，從而與現(xiàn)有的代工廠制造工藝兼容，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)光刻定義的掩模在商業(yè)植入機(jī)中實(shí)施了寬束注入?！斑@項(xiàng)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(jìn)的硅處理潔凈室和電子束***，”潔凈室小組組長(zhǎng)兼納米制造和分析負(fù)責(zé)人Ciarán Fowley博士解釋道。

通過(guò)使用這兩種方法，該團(tuán)隊(duì)可以在預(yù)定義的位置創(chuàng)建數(shù)十個(gè)電信單光子發(fā)射器，空間精度約為50納米。它們?cè)诰哂兄匾獞?zhàn)略意義的電信O波段發(fā)射，并在連續(xù)波不斷激勵(lì)的幾天內(nèi)都表現(xiàn)出穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

科學(xué)家們確信，在硅晶圓中實(shí)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(gè)非常有前途的技術(shù)候選者，其可實(shí)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