南加州大学 信用:CC0公共领域 现代世界是由“芯片”上的电路供电的——芯片是支撑计算机、手机、互联网和其他应用的半导体芯片
在2025年，人类预计将创造175兆字节(175万亿千兆字节)的新数据
我们如何在如此高的数据量下确保敏感数据的安全？我们如何利用这些数据来解决从隐私和安全到气候变化等类似重大挑战的问题，尤其是在当前计算机能力有限的情况下？ 一个有希望的选择是新兴的量子通信和计算技术
然而，要做到这一点，就需要广泛开发强大的新量子光学电路；能够安全处理我们每天产生的大量信息的电路
南加州大学默克家族化学工程和材料科学系的研究人员取得了突破性进展，帮助实现了这项技术
传统的电路是电荷中的电子流动的路径，而量子光学电路使用光源，一次一个地按需产生单个光粒子或光子，作为信息携带位(量子位或量子位)
这些光源是纳米大小的半导体“量子点”——由数万到一百万个原子组成的微小人造集合体，封装在一个线性体积内，其厚度不到埋在另一种合适半导体基质中的典型人发厚度的千分之一
迄今为止，它们已被证明是最通用的按需单光子发生器
光路要求这些单光子源以规则的模式排列在半导体芯片上
然后，来自光源的波长几乎相同的光子必须沿导向方向释放
这使得它们可以被操纵，与其他光子和粒子形成相互作用，以传输和处理信息
到目前为止，这种电路的发展还存在很大的障碍
例如，在当前的制造技术中，量子点具有不同的尺寸和形状，并且在芯片上随机位置组装
这些点有不同的大小和形状，这意味着它们释放的光子没有统一的波长
这一点和位置顺序的缺乏使得它们不适合用于光学电路的开发
在最近发表的工作中，南加州大学的研究人员已经表明，单个光子确实可以以均匀的方式从以精确模式排列的量子点中发射出来
值得注意的是，排列量子点的方法最早是由南加州大学的首席物理学家阿努帕姆·马杜卡尔教授和他的团队在近三十年前开发的，远远早于目前在量子信息方面的爆炸性研究活动和对片上单光子源的兴趣
在这项最新的工作中，南加州大学的团队已经使用这种方法来制造单量子点，它们具有显著的单光子发射特性
人们预计，精确排列均匀发射量子点的能力将使光学电路的生产成为可能，这有可能导致量子计算和通信技术的新进展
该论文发表在《APL光子学》杂志上，作者是张洁飞，他目前是默克家族化学工程与材料科学系的研究助理教授，作者是Anupam Madhukar，Kenneth T
诺里斯工程教授，化学工程、电气工程、材料科学和物理学教授
“这一突破为下一步从单光子物理的实验室演示到量子光子电路的芯片级制造铺平了道路，”张说
“这在量子(安全)通信、成像、传感以及量子模拟和计算方面有潜在的应用
" 马杜卡尔说，量子点必须以精确的方式排列，这样从任何两个或多个点释放的光子就可以在芯片上相互连接
这将构成量子光学电路的基础
“如果光子的来源是随机的，这是不可能发生的
”马杜卡说
“目前允许我们在线交流的技术，例如使用Zoom等技术平台，是基于硅集成电子芯片的
如果芯片上的晶体管没有放置在准确的设计位置，就不会有集成电路，”马杜卡尔说
“对量子点等光子源来说，创建量子光学电路也是同样的要求
" 这项研究得到了美国空军科学研究办公室和美国海军的支持
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陆军研究办公室(ARO)
“这一进展是一个重要的例子，说明如何解决基础材料科学的挑战，如如何创建具有精确位置和组成的量子点，可以对量子计算等技术产生巨大的下游影响，”美国陆军研究办公室项目经理埃文Runnerstrom说
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陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室
“这表明ARO在基础研究方面的定向投资是如何支持陆军在网络等领域的持久现代化努力的
" 为了给电路创建量子点的精确布局，该团队使用了一种叫做SESRE(衬底编码尺寸减小外延)的方法，这种方法是在20世纪90年代早期由Madhukar集团开发的
在目前的工作中，该团队在由砷化镓(GaAs)组成的平坦半导体衬底上制造了具有限定的边缘取向、形状(侧壁)和深度的纳米尺寸台面的规则阵列
然后，通过使用以下技术添加适当的原子，在台面上创建量子点
首先，进入的镓原子聚集在被表面能力吸引的纳米级台面的顶部，在那里它们沉积GaAs
然后，入射的磁通量被转换成铟原子，依次沉积砷化铟，然后再沉积镓原子，形成GaAs，从而产生所需的单个量子点，最终释放出单个光子
为了有助于制造光学电路，金字塔形纳米台面之间的空间需要用使表面变平的材料填充
不透明GaAs的最终芯片被描绘成一个半透明的覆盖层，量子点位于该覆盖层之下
“这项工作还创造了有序和可伸缩量子点的新世界记录，单光子发射的同时纯度大于99
5%，就发射光子波长的均匀性而言，可以窄至1
8纳米，比典型的量子点好20到40倍，”张说
张说，有了这种均匀性，就有可能应用现有的方法，如局部加热或电场，来微调量子点的光子波长，使它们彼此精确匹配，这是在不同量子点之间建立电路所需的互连所必需的
这意味着研究人员第一次可以使用成熟的半导体处理技术来制造可扩展的量子光子芯片
此外，该团队现在的工作重点是确定来自相同和/或不同量子点的发射光子有多相同
不可分辨性的程度是干涉和纠缠的量子效应的核心，是量子信息处理——通信、传感、成像或计算——的基础
张总结道:“我们现在有了一种方法和一个材料平台，可以为量子信息应用提供可扩展的有序光源，产生潜在的无法区分的单光子
张说:“这种方法是通用的，可以用于其他合适的材料组合，以产生发射不同应用所需的宽范围波长的量子点，例如基于光纤的光通信或中红外区，适用于环境监测和医疗诊断。”
Gernot S
Pomrenke，AFOSR项目官员，光电子学和光子学说，可靠的按需单光子源芯片阵列是向前迈出的一大步
庞伦克说:“在量子信息的研究活动成为主流之前，这一令人印象深刻的增长和材料科学工作持续了三十多年的不懈努力。”
“最初来自国防部其他机构的AFOSR资金和资源对于实现马杜卡尔、他的学生和合作者的挑战性工作和愿景至关重要
这项工作很有可能会彻底改变数据中心、医疗诊断、国防和相关技术的能力
"
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