在光通信以及使用光而不是電荷來(lái)存儲(chǔ)和傳輸信息的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中，要做到以最小的損耗傳輸，并能操縱最小單位光，光子起著至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)在，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員已經(jīng)在單個(gè)微芯片上連接了量子點(diǎn)，用激光照射人造原子，快速按需產(chǎn)生單個(gè)光子，并且沒(méi)有明顯的強(qiáng)度損失。

為了創(chuàng)建超低損耗電路，研究人員制造了氮化硅波導(dǎo)并將其嵌入二氧化硅中。通道很寬但很淺，這種設(shè)計(jì)是為了避免光子從波導(dǎo)散射，將波導(dǎo)封裝在二氧化硅中也有助于減少散射。

科學(xué)家們說(shuō)，比起使用量子點(diǎn)的類似電路，原型電路只有百分之一的密度損失，由其他團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)。最終，采用這種新芯片技術(shù)的設(shè)備可以利用量子力學(xué)的奇特性質(zhì)，來(lái)執(zhí)行經(jīng)典電路無(wú)法執(zhí)行的復(fù)雜計(jì)算。

例如，根據(jù)量子力學(xué)定律，單個(gè)光子有可能同時(shí)在兩個(gè)不同的地方，比如在兩個(gè)不同的波導(dǎo)中。這種特性可用于存儲(chǔ)信息。單個(gè)光子可以充當(dāng)量子比特，攜帶的信息比經(jīng)典計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制比特多得多，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特只有0或1。

為了執(zhí)行必要的操作來(lái)解決計(jì)算問(wèn)題，這些光子量子比特不僅要求波長(zhǎng)相同，移動(dòng)速度也要相同，必須同時(shí)到達(dá)電路中的某些處理節(jié)點(diǎn)。這帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)楣庾觼?lái)自電路不同位置，并沿不同波導(dǎo)傳播，它們以與處理點(diǎn)明顯不同的距離延伸。為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)到達(dá)，對(duì)于那些發(fā)射到離確定目的地更近的光子，必須延遲它們的旅程，給那些在更遠(yuǎn)的波導(dǎo)中的光子提供時(shí)間。

該電路由NIST研究人員（包括Ashish Chanana和Marcelo Davanco）與國(guó)際同事團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，時(shí)間實(shí)現(xiàn)了顯著延遲，因?yàn)樗褂酶鞣N長(zhǎng)度的波導(dǎo)，可以將光子存儲(chǔ)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。據(jù)研究人員計(jì)算，一個(gè)3米長(zhǎng)的波導(dǎo)將以20納秒的延遲發(fā)射光子，這個(gè)概率是50%。而其他團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的先前設(shè)備，在類似條件下運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)概率僅為百分之一。

對(duì)于來(lái)自一個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn)的光子必須在相同時(shí)間內(nèi)到達(dá)某個(gè)位置的過(guò)程，新電路要實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的延遲時(shí)間也很重要。此外，低損耗量子點(diǎn)電路可以顯著增加單光子數(shù)量，這些光子可用于在芯片上攜帶量子信息，從而實(shí)現(xiàn)更大、更快、更可靠的計(jì)算和信息處理系統(tǒng)。

2022年12月，包括來(lái)自加州大學(xué)圣巴巴拉分校、麻省理工學(xué)院、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所和巴西圣保羅大學(xué)的研究人員在內(nèi)的科學(xué)家報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。由兩個(gè)組件組成的混合電路，最初每個(gè)組件構(gòu)建在單獨(dú)的芯片上，其中一個(gè)是在NIST設(shè)計(jì)和制造的砷化鎵半導(dǎo)體器件，它容納量子點(diǎn)并將其產(chǎn)生的單光子直接引導(dǎo)到第二個(gè)器件：UCSB開(kāi)發(fā)的低損耗氮化硅波導(dǎo)。

為了結(jié)合這兩種組件，麻省理工學(xué)院的研究人員首先使用微探針的薄金屬尖端，其作用類似于微型撬棍，將砷化鎵器件從NIST制造的芯片中拉出。然后，他們將其放置在另一個(gè)芯片上的氮化硅電路頂部。

在混合電路大規(guī)模用于光子器件之前，研究人員面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)。目前，量子點(diǎn)產(chǎn)生的單個(gè)光子中，只有約6%可以引導(dǎo)到電路中。然而，模擬表明，如果改變光子指向的角度，同時(shí)改善量子點(diǎn)的位置和方向，該比例將會(huì)上升到80%以上。

另一個(gè)問(wèn)題是，創(chuàng)建量子計(jì)算操作需要波長(zhǎng)相同的光子，但量子點(diǎn)并不總是發(fā)射波長(zhǎng)完全相同的單個(gè)光子。該團(tuán)隊(duì)正在探索多種策略，包括恒定電場(chǎng)的應(yīng)用。

編譯：卉可

編輯：慕一