研究人员使用两种不同类型的半导体技术创建出一种混合芯片

　　基于光的量子技术可以使几乎无法破解的通信网络和计算机能够解决目前无法解决的问题。

今天，产生奇异的光量子态需要笨重的设备，这限制了任何潜在应用的可扩展性。

研究人员表示，一种将所有必要组件压缩到比硬币还小的芯片上的新设备可能是解决方案。

　　量子计算领域的大多数引人注目的结果都来自使用超导量子位的处理器，但像Xanadu和PsiQuantum这样的公司押注在光子中编码量子数据可能是一种更强大的方法。

光子也是量子通信网络的明显选择，因为它们与现有的光纤技术兼容，并且它们的量子态相对稳定。

　　这两种应用的一个关键能力是能够产生纠缠的光子对，其中两个粒子的量子态本质上是联系在一起的，无论它们之间的距离有多大。

这使得将量子处理器中的许多量子比特链接在一起成为可能，从而在某些问题上产生指数级的加速。

它也是以不受窃听企图影响的方式连接量子通信网络节点的关键。

　　光子学的进步使得在芯片上纠缠光子对成为可能，而不是使用笨重的光学设备，这可以大大扩展该技术的范围。

但德国汉诺威莱布尼兹大学教授迈克尔·库斯 (Michael Kues)表示，光子本身仍然必须由传统激光器产生。

“你在这个小芯片上拥有一切，但你仍然有这个大激光器，”他说。

“这使得它有点笨重，也不能真正大规模生产，这限制了可扩展性。

”

　　在4 月 17 日发表在Nature Photonics上的一篇新论文中，Kues 和他的同事推出了第一款集成了产生纠缠光子对所需的所有关键组件的光子芯片。

他们的方法依赖于合并两种不同类型的半导体技术来创建一种混合芯片，该芯片既可以产生激光，又可以将该光转换为高质量的纠缠光子。

“现在这一切都在一个比一欧元硬币还小的微型设备中，”Kues 说。

　　芯片的第一部分有一个由磷化铟制成的光放大器，磷化铟是一种已被广泛用于制造半导体激光器的材料。

不过，这种材料不适合产生纠缠光子，因此研究人员通过波导将芯片的该部分连接到由氮化硅制成的第二部分。

它具有一系列“微环谐振器”——激光被迫穿梭的圆形波导——逐渐变小。

　　前两个环旨在滤除激光信号中的噪声，这些噪声会干扰研究人员试图创造的量子态。

当光围绕最后一个环循环时，两个不同频率的激光光子被湮灭，产生一对纠缠光子。

该芯片消耗约 3 瓦的功率，每秒能够在光通信波长（1550 纳米是光纤最常用的波长）下产生 8,200 对纠缠光子。

　　多伦多大学光子学教授Amr Helmy说：“这项工作的所有部分之前都已经被证明过，但是，将所有这些部分集成在一起是一项成就。

” 他特别指出，在与其他组件相同的芯片上集成创新的过滤机制是一项重大成就。

然而，Helmy 说，这似乎是以牺牲性能为代价的，输出的亮度和量子态的质量不及之前的工作。

　　尽管如此，研究人员表示，将量子光源的尺寸缩小 1,000 倍的能力可能有助于将该技术带出实验室，并使其更容易在现实世界中部署。

除了在量子计算和量子网络中更明显的用途外，Kues 说紧凑的外形也可能对某些量子传感应用有用。

　　然而，尽管团队所依赖的两种半导体技术都已在工业中使用，但将两者集成的过程可能成为大规模生产的潜在障碍。

Kues 说，目前芯片的两个部分必须手动对齐以确保波导匹配，这将是一个很难按比例放大的过程。

“我们现在已经证明了该功能是可行的，但要真正构建它还有很多研究要做，”他补充道。