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美国南加州大学利用光电实现量子光路-中电科技集团重庆声光电有限公司

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美国南加州大学利用光电实现量子光路

来源:     作者:信息发布人员     发布时间:2021年03月22日     浏览次数:         

  在美国空军科学研究办公室(AFOSR)和美国陆军研究办公室(ARO)的支持下,美国南加州大学莫克家族化学工程和材料科学学院的研究人员证实,单光子可从精准排列的量子点上以均匀方式发射,并利用这种方法制造了单量子点,单光子发射特性非常显著。可以预计,精确排列均匀发射量子点的能力将使光电路的生产成为可能,有望带来量子计算和通信技术的新进展。

  量子光路是使用光源,按需产生单个光粒子或光子,一次一个,作为信息携带位(量子位或qubits)。这些光源是纳米大小的半导体“量子点”,是由数万至百万个原子组成的微小制造体集合,其线性尺寸小于典型人类头发直径的千分之一,埋在另一种合适的半导体基质中。迄今为止,量子光路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。来自光源、具有几乎相同波长的光子必须在引导的方向进行释放。这样就可以控制它们与其他光子和粒子形成相互作用来传输和处理信息。至今为止,这种电路的发展仍存在很大障碍。在目前的制造技术中,量子点具有不同的尺寸和形状,并以随机的位置组装在芯片上。事实上,这些量子点具有不同的尺寸和形状,意味着其释放的光子没有统一的波长。这一点和缺乏位置顺序使它们不适合用于开发光路。

  南加州大学的研究人员已经证明,单光子可以从以精确排列的量子点中以统一方式发射。在本次进展中,南加州大学团队利用这种方法创造了具有非常显著单光子发射特性的单量子点。为了创建电路的量子点的精确布局,研究团队使用了一种名为SESRE(衬底编码尺寸缩小外延)的方法。研究团队在由砷化镓(GaAs)组成的平坦半导体衬底上制造了具有确定边缘方向、形状(侧壁)和深度的纳米级网格的规则阵列。通过使用以下技术添加适当的原子,在网格的顶部创建量子点。

  首先,进入的镓(Ga)原子在表面能量力的吸引下聚集在纳米级网格的顶部,并沉积为GaAs。然后,进入的通量被切换到铟(In)原子,沉积为砷化铟(InAs),再由Ga原子形成GaAs,从而创造出所需的单个量子点,最终释放出单光子。为了对创建光路发挥作用,金字塔形纳米网格之间的空间需要用能使表面变平的材料来填充。最终的芯片,其中不透明的GaAs形成一个半透明的覆盖层,量子点就在这个覆盖层下。

  这项工作创造了有序可扩展的量子点新的世界纪录,在单光子发射的同时纯度大于99.5%,发射光子的波长均匀性可以窄到1.8nm,比一般的量子点好20至40倍。有了这种均匀性,应用局部加热或电场等既有方法对量子点的光子波长进行微调,使之完全匹配,对于在不同的量子点之间建立所需的电路互连就变得可行了。

  该项研究成果意味着研究人员首次可以利用成熟的半导体处理技术制造出可扩展的量子光子芯片。该团队现在的工作重点是建立来自相同和/或不同量子点的发射光子的相同程度。不可分辨性的程度是干扰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。

  (摘编自 大国重器)