圖形摘要。來源：納米快報 （2022）。DOI： 10.1021/acs.nanolett.2c03151
隨著關於量子未來的嗡嗡聲越來越大，各地的研究人員都在加班加點地工作，以發現如何最好地釋放疊加、糾纏、隧穿或其他準備好的黃金時段量子粒子的承諾，這些粒子同時以兩種狀態發生的能力可以極大地擴展許多應用中的功率和效率。
然而，從發展上講，今天的量子設備「大約是計算機在1950年代的位置」，也就是說，這是最開始的。這是根據加州大學聖巴巴拉分校Galan Moody實驗室的六年級博士生Kamyar Parto的說法，他是量子光子學專家，電氣和計算機工程助理教授。
Parto是發表在《納米快報》雜誌上的一篇論文的共同主要作者，該論文描述了一個關鍵進展：開發一種片上「工廠」，用於產生穩定，快速的單光子流，這對於實現基於光子的量子技術至關重要。
Parto解釋說，在計算機開發的早期階段，「研究人員剛剛製造了電晶體，他們有關於如何製作數字開關的想法，但平台有點弱。不同的團隊開發了不同的平台，最終，每個人都聚集在CMOS（互補金屬氧化物半導體）上。然後，我們圍繞半導體發生了巨大的爆炸。
「量子技術處於類似的地方 - 我們有想法和感覺我們可以用它做什麼，並且有許多競爭平台，但還沒有明顯的贏家，」他繼續說道。「你有超導量子比特，矽中的自旋量子比特，靜電自旋量子比特和基於離子阱的量子計算機。微軟正試圖做拓撲保護的量子比特，在穆迪實驗室，我們正在研究量子光子學。
Parto預測，獲勝的平台將是不同平台的組合，因為每個平台都很強大，但也有局限性。「例如，使用量子光子學傳輸信息非常容易，因為光喜歡移動，」他說。
「然而，自旋量子比特可以更容易地存儲信息並在其上做一些本地'東西'，但你不能移動這些數據。那麼，我們為什麼不嘗試使用光子學來更好地存儲數據的平台傳輸數據，然後在數據存在後再次將其轉換為另一種格式呢？」
量子比特，那些奇怪的量子技術驅動因素，當然與經典比特不同，經典比特只能存在於零或一的單一狀態中。量子比特可以同時是 1 和 0。Parto說，在光子學領域，單個光子既可以存在（狀態一），也可以不存在（狀態零）。
這是因為單個光子構成了所謂的兩能級系統，這意味著它可以以零狀態、一個狀態或任何組合存在，例如 50% 一和 50% 零，或者 80% 一和 20% 零。這可以在穆迪小組中常規進行。挑戰在於以非常高的效率生成和收集單個光子，例如使用波導將它們路由到晶片上。波導完全按照它們的名字所暗示的那樣，將光引導到需要的地方，就像電線引導電一樣。
Parto解釋說：「如果我們把這些單光子放入許多不同的波導中——每個波導上有一千個單光子——我們編排光子如何沿著晶片上的波導傳播，我們就可以進行量子計算。
雖然使用波導在晶片上路由光子相對簡單，但隔離單個光子並不容易，並且建立一個快速有效地產生數十億光子的系統要困難得多。新論文描述了一種技術，該技術利用一種特殊的現象來產生單光子，其效率遠高於以前實現的效率。
「這項工作是關於放大這些單光子的產生，以便它們對實際應用有用，」Parto說。「本文描述的突破是，我們現在可以在室溫下可靠地產生單光子，其方式適合（CMOS的大規模生產過程）。
產生單光子的方法有很多種，但Parto和他的同事們通過使用某些二維（2D）半導體材料中的缺陷來做到這一點，這些材料只有一個原子厚，基本上去除了一點材料以產生缺陷。
「如果你將光（由雷射產生）照射到正確的缺陷上，材料將通過發射單光子做出反應，」Parto說。「材料中的缺陷充當所謂的限速狀態，這使得它的行為就像一個工廠，一次推出一個光子。一個光子可能每三到五納秒產生一次，但研究人員還不確定速度，而獲得博士學位的帕托說，目前的速度可能會慢得多。
2D材料的一大優勢是，它們適合在特定位置將缺陷設計到其中。此外，Parto說：「這些材料非常薄，你可以把它們拿起來放在任何其他材料上，而不受3D晶體材料的晶格幾何形狀的限制。這使得2D材料非常容易集成，這是我們在本文中展示的功能。
為了製造有用的器件，必須以極高的精度將2D材料上的缺陷放置在波導中。「材料上有一個點從缺陷中產生光，」Parto指出，「我們需要將單個光子放入波導中。
研究人員試圖通過幾種方式做到這一點，例如，將材料放在波導上，然後尋找現有的單個缺陷，但即使缺陷精確對齊並處於正確的位置，提取效率也只有20%到30%。這是因為單個缺陷只能以一種特定的速率發射，並且一些光以傾斜角度發射，而不是直接沿著波導的路徑發射。該設計的理論上限僅為40%，但製造用於量子信息應用的有用設備需要99.99%的提取效率。
「來自缺陷的光本質上會照耀到任何地方，但我們更喜歡它照射到這些波導中，」Parto解釋說。「我們有兩個選擇。如果你把波導放在缺陷的頂部，也許百分之十到十五的光會進入波導。這還不夠。但是有一種物理現象，稱為珀塞爾效應，我們可以利用它來提高這種效率，並將更多的光引導到波導中。你可以通過將缺陷放置在光學腔內來做到這一點 - 在我們的例子中，它是微環諧振器的形狀，這是唯一允許您將光耦合到波導和流出的空腔之一。
「如果空腔足夠小，」他補充說，「它將擠出電磁場的真空波動，而這些波動是導致光子從缺陷自發發射到光模式的原因。通過將量子漲落擠壓到有限體積的空腔中，缺陷上的波動增加，使其優先向環發射光，在那裡它加速並變得更亮，從而提高提取效率。
在為本文進行的使用微環諧振器的實驗中，該團隊實現了46%的提取效率，這比以前的報告提高了一個數量級。
「我們對這些結果感到非常鼓舞，因為2D材料中的單光子發射器解決了其他材料在可擴展性和可製造性方面面臨的一些突出挑戰，」穆迪說。「在短期內，我們將探索將它們用於量子通信中的一些不同應用，但從長遠來看，我們的目標是繼續開發這個量子計算和網絡平台。
為此，該小組需要將其效率提高到99%以上，而實現這一目標將需要更高質量的氮化物諧振器環。「為了提高效率，當您從氮化矽薄膜中雕刻出環時，您需要將其平滑，」Parto解釋說。「然而，如果材料本身不是完全結晶的，即使你試圖在原子水平上平滑它，表面仍然可能看起來粗糙和海綿狀，導致光從它們身上散射。
雖然有些團體通過從完美種植氮化物的公司購買氮化物來實現最高質量的氮化物，但Parto解釋說，「我們必須自己種植，因為我們必須將缺陷放在材料下面，而且，我們正在使用一種特殊類型的氮化矽，最大限度地減少單光子應用的背景光，而公司不會這樣做。
Parto可以在UCSB潔淨室的等離子體增強化學氣相沉積爐中生長氮化物，但由於這是一個頻繁使用的共享設施，他無法自定義一些設置，使他能夠種植足夠質量的材料。他說，計劃是利用這些結果申請新的資助，這將使「獲得我們自己的工具並雇用學生來做這項工作」成為可能。
更多信息： K. Parto 等人，空腔增強 2D 材料量子發射器確定性地與氮化矽微諧振器集成，納米快報 （2022）。DOI： 10.1021/acs.nanolett.2c03151
期刊信息：納米快報