实验室开发片上产生单光子的新方法

随着关于量子未来的嗡嗡声越来越大，各地的研究人员都在加班加点地工作，以发现如何最好地释放叠加、纠缠、隧穿或其他准备好的黄金时段量子粒子的承诺，这些粒子同时以两种状态发生的能力可以极大地扩展许多应用中的功率和效率。

然而，从发展上讲，今天的量子设备“大约是计算机在1950年代的位置”，也就是说，这是最开始的。这是根据加州大学圣巴巴拉分校Galan Moody实验室的六年级博士生Kamyar Parto的说法，他是量子光子学专家，电气和计算机工程助理教授。

Parto是发表在杂志上的一篇论文的共同主要作者 纳米字母，描述了一个关键的进步：开发一种片上“工厂”，用于产生稳定、快速的单光子流，这对于实现基于光子的量子技术至关重要。

Parto解释说，在计算机开发的早期阶段，“研究人员刚刚制造了晶体管，他们有关于如何制作数字开关的想法，但平台有点弱。不同的团队开发了不同的平台，最终，每个人都聚集在CMOS(互补金属氧化物半导体)上。然后，我们围绕半导体发生了巨大的爆炸。

“量子技术处于类似的地方 - 我们有想法和感觉我们可以用它做什么，并且有许多竞争平台，但还没有明显的赢家，”他继续说道。“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。微软正试图做拓扑保护的量子比特，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容易地存储信息并在其上做一些本地'东西'，但你不能移动这些数据。那么，我们为什么不尝试使用光子学来更好地存储数据的平台传输数据，然后在数据存在后再次将其转换为另一种格式呢?”

量子比特，那些奇怪的量子技术驱动因素，当然与经典比特不同，经典比特只能存在于零或一的单一状态中。量子比特可以同时是 1 和 0。在光子学领域，帕托说，一个 单光子 可以同时存在(状态一)和不存在(状态零)。

那是因为单 光子 构成所谓的两级系统，这意味着它可以以零状态、一状态或任何组合存在，例如 50% 一和 50% 零，或者可能是 80% 一和 20% 零。这可以在穆迪小组中常规进行。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。波导完全按照它们的名字所暗示的那样，将光引导到需要的地方，就像电线引导电一样。

Parto解释说：“如果我们把这些单光子放入许多不同的波导中——每个波导上有一千个单光子——我们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，并且建立一个快速有效地产生数十亿光子的系统要困难得多。新论文描述了一种技术，该技术利用一种特殊的现象来产生单光子，其效率远高于以前实现的效率。

“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。“本文描述的突破是，我们现在可以在室温下可靠地产生单光子，其方式适合(CMOS的大规模生产过程)。

有多种方法可以产生单光子，但Parto和他的同事们通过使用某些二维(2D)中的缺陷来做到这一点。 半导体材料，它只有一个原子厚，基本上去除了一点材料以产生缺陷。

“如果你将光(由激光产生)照射到正确的缺陷上，材料将通过发射单光子做出反应，”Parto说。“材料中的缺陷充当所谓的限速状态，这使得它的行为就像一个工厂，一次推出一个光子。 一个光子可能每三到五纳秒产生一次，但研究人员还不确定速度。 帕托(Parto)获得了关于设计此类缺陷的博士学位，他说目前的速度可能会慢得多。

2D材料的一大优势是它们适合拥有 缺陷 在特定位置设计成它们。此外，Parto说：“这些材料非常薄，你可以把它们拿起来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，这是我们在本文中展示的功能。

为了制造有用的器件，必须以极高的精度将2D材料上的缺陷放置在波导中。“材料上有一个点从缺陷中产生光，”Parto指出，“我们需要将单个光子放入波导中。

研究人员试图通过几种方式做到这一点，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处于正确的位置，提取效率也只有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%，但制造用于量子信息应用的有用设备需要99.99%的提取效率。

“来自缺陷的光本质上会照耀到任何地方，但我们更喜欢它照射到这些波导中，”Parto解释说。“我们有两个选择。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，称为珀塞尔效应，我们可以利用它来提高这种效率，并将更多的光引导到波导中。您可以通过将缺陷放置在 光学腔体—在我们的例子中，它是微环谐振器的形状，这是唯一允许您将光耦合到和流出的空腔之一 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，而这些波动是导致光子从缺陷自发发射到光模式的原因。通过将量子涨落挤压到有限体积的空腔中，缺陷上的波动增加，使其优先向环发射光，在那里它加速并变得更亮，从而提高提取效率。

在为本文进行的使用微环谐振器的实验中，该团队实现了46%的提取效率，这比以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2D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一些不同应用，但从长远来看，我们的目标是继续开发这个量子计算和网络平台。

为此，该小组需要将其效率提高到99%以上，而实现这一目标将需要更高质量的氮化物谐振器环。“为了提高效率，当您从氮化硅薄膜中雕刻出环时，您需要将其平滑，”Parto解释说。“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平滑它，表面仍然可能看起来粗糙和海绵状，导致光从它们身上散射。

虽然有些团体通过从完美种植氮化物的公司购买氮化物来实现最高质量的氮化物，但Parto解释说，“我们必须自己种植，因为我们必须将缺陷放在材料下面，而且，我们正在使用一种特殊类型的氮化硅，最大限度地减少单光子应用的背景光，而公司不会这样做。

Parto可以在UCSB洁净室的等离子体增强化学气相沉积炉中生长氮化物，但由于这是一个频繁使用的共享设施，他无法自定义一些设置，使他能够种植足够质量的材料。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做这项工作”成为可能。