密歇根大学 信用:Unsplash/CC0公共领域 由密歇根大学领导的一个国际研究小组发现了一种利用单光子发送和接收信息的新途径
他们的实验展示了利用一种被称为非线性的效应来修改和检测极其微弱的光信号的可能性，利用量子系统的明显变化来推进下一代计算
今天，随着基于硅电子的信息技术越来越多地受到加热和能量消耗的限制，非线性光学作为一种潜在的解决方案正在被深入研究
量子蛋盒捕捉并释放光子，在拥有额外能量的同时支持“受激”量子态
随着系统中能量的增加，需要更大的能量跳跃才能到达下一个激发态——这就是非线性
“研究人员想知道，在极低的功率水平下——低至单个光子——是否能维持可检测的非线性效应
这将把我们带到信息处理功耗的基本下限，”物理学教授、《自然》杂志论文的资深作者邓辉说
“我们展示了一种新型的混合态，通过一系列量子点将光和物质联系在一起，将我们带到了那个状态，”她补充道
物理学家和工程师使用一种新的半导体来制造像鸡蛋盒一样排列的量子点
量子点本质上是微小的结构，可以隔离和限制单个量子粒子，如电子和其他奇怪的东西
这些点是鸡蛋盒里的口袋
在这种情况下，它们限制激子，由一个电子和一个空穴组成的准粒子
当半导体中的一个电子被踢到更高的能带时，就会出现一个空穴，在其通常的位置留下正电荷
如果空穴在其平行能带中遮蔽了电子，这两者被认为是一个单一的实体，一个激子
在传统器件中——几乎没有非线性——激子自由漫游，几乎不相互相遇
这些材料可以同时包含许多相同的激子，而研究人员不会注意到材料性质的任何变化
然而，如果激子被限制在一个量子点中，就不可能在同一个口袋中放入第二个相同的激子
如果你想在那里得到另一个激子，你需要一个更高能量的激子，这意味着你需要一个更高能量的光子来制造它
这就是众所周知的量子封锁，这是非线性的原因
但是典型的量子点只有几个原子宽——它们没有可用的尺度
作为一种解决方案，邓的团队创造了一个量子点阵列，这些量子点同时导致了非线性效应
该团队用两片半导体制作了这个鸡蛋盒能量景观，它们被认为是二维材料，因为它们由一个分子层组成，只有几个原子厚
二维半导体的量子特性与较大的块非常不同
一片是二硫化钨，另一片是二硒化钼
以大约56°的角度铺设
原子晶格之间的夹角为5度，这两个纠缠在一起的电子结构形成了一个更大的电子晶格，其中的口袋大约有10个原子宽
为了将二维半导体中的量子点阵列控制为一组光，该团队通过在底部制作一面镜子，将半导体放在顶部，然后在半导体顶部沉积第二面镜子来构建谐振器
“你需要非常严格地控制厚度，使半导体处于光场的最大值，”邓实验室的博士后研究员、该论文的第一作者张龙说
随着量子蛋盒嵌入能使红色激光共振的镜像“空腔”，研究小组观察到另一种量子态的形成，称为偏振态
偏振子是激子和腔内光的混合体
这证实了所有量子点都与光协同作用
在这个系统中，邓的团队表明，在纸箱中放入几个激子会导致极化子的能量发生可测量的变化——证明了非线性，并表明量子封锁正在发生
“工程师们可以利用这种非线性来辨别储存在系统中的能量，这可能会降低到单个光子的能量，这使得该系统有望成为一种超低能量开关，”邓说
开关是实现超低功耗计算所需的器件之一，它们可以内置于更复杂的门中
“邓教授的研究描述了如何调整极化非线性以消耗更少的能量，”美国陆军研究办公室项目经理迈克尔·格霍尔德说
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陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室
“对偏振态的控制旨在未来用于超低能量计算和信息处理的集成光子学，这种集成光子学可用于视觉系统、自然语言处理或自主机器人的神经形态学处理
" 量子封锁也意味着类似的系统可能被用于量子比特，量子信息处理的构件
一条前进的道路是找出如何将阵列中的每个量子点作为一个单独的量子位来寻址
另一种方法是实现极化子封锁，类似于这里看到的激子封锁
在这个版本中，与光波在时间上共振的激子阵列将是量子位
以这些方式使用，新的二维半导体有可能将量子器件带到室温，而不是液氮或液氦的极端低温
“我们正在走向摩尔定律的尽头，”彼得·史蒂夫·弗罗斯特说
弗兰肯大学电气工程杰出教授，该论文的合著者，提到了芯片上晶体管密度每两年翻一番的趋势
“二维材料具有许多令人兴奋的电子和光学特性，事实上，这些特性可能会把我们带到硅以外的领域
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