在光通信以及使用光而不是電荷來存儲和傳輸信息的量子計算機(jī)的設(shè)計中，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，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員已經(jīng)在單個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)生單個光子，并且沒有明顯的強(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，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)，來執(zhí)行經(jīng)典電路無法執(zhí)行的復(fù)雜計算。

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

為了執(zhí)行必要的操作來解決計算問題，這些光子量子比特不僅要求波長相同，移動速度也要相同，必須同時到達(dá)電路中的某些處理節(jié)點(diǎn)。這帶來了挑戰(zhàn)，因為光子來自電路不同位置，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。為了實現(xiàn)同時到達(dá)，對于那些發(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)中的光子提供時間。

該電路由NIST研究人員（包括Ashish Chanana和Marcelo Davanco）與國際同事團(tuán)隊設(shè)計，時間實現(xiàn)了顯著延遲，因為它使用各種長度的波導(dǎo)，可以將光子存儲相對較長的時間。據(jù)研究人員計算，一個3米長的波導(dǎo)將以20納秒的延遲發(fā)射光子，這個概率是50%。而其他團(tuán)隊開發(fā)的先前設(shè)備，在類似條件下運(yùn)行時，實現(xiàn)概率僅為百分之一。

對于來自一個或多個量子點(diǎn)的光子必須在相同時間內(nèi)到達(dá)某個位置的過程，新電路要實現(xiàn)更長的延遲時間也很重要。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，從而實現(xiàn)更大、更快、更可靠的計算和信息處理系統(tǒng)。

2022年12月，包括來自加州大學(xué)圣巴巴拉分校、麻省理工學(xué)院、韓國科學(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)家報告了他們的發(fā)現(xiàn)。由兩個組件組成的混合電路，最初每個組件構(gòu)建在單獨(dú)的芯片上，其中一個是在NIST設(shè)計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)到第二個器件：UCSB開發(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挑戰(zhàn)。目前，量子點(diǎn)產(chǎn)生的單個光子中，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，同時改善量子點(diǎn)的位置和方向，該比例將會上升到80%以上。

另一個問題是，創(chuàng)建量子計算操作需要波長相同的光子，但量子點(diǎn)并不總是發(fā)射波長完全相同的單個光子。該團(tuán)隊正在探索多種策略，包括恒定電場的應(yīng)用。

編譯：卉可

編輯：慕一