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圖片來源：NIST/Nature Communications. 在這幅假彩色掃描電鏡圖中，單個光子從二氧化硅表面（藍）上的波導（粉）中穿過。
光子電路（quantum photonic circuits）是利用光的量子性質來進行信息處理和通訊的芯片裝置，最近美國國立標準及技術研究院（NIST）的科學家為它開發出了一種新架構。
在發表在《自然-通訊》（Nature Communication）上的研究中，NIST的研究者及他們在中國和英國的合作者描述了他們開發的設備。它由低損耗的波導網絡和單光子源組成（波導是一種讓聲光等波傳播到特定方向的結構——注），集成在一張芯片上。這個架構將在光子計算和仿真領域，還有光子計量學和光子通信學中產生重大影響。
這個設備運轉時會產生單光子流，發射到波導和分束器網絡中，光子在網絡中相互干涉，最后在網絡的輸出端被探測。
要直觀感受這個研究的影響有多大，你必須知道現如今量子信息研究者們已經設計出了許多種可以進行量子仿真、計量和通訊的儀器，它們都建立于單個光子在大型波導及分束器網絡中干涉的基礎上。
這些系統中，光子被射出后會隨機地移動并相互干涉。最后，它們會從網絡的一個輸出端口出去，從每個端口出去的概率由量子力學決定。這些概率就是實驗的最終輸出。因為上述過程的內在隨機性，實驗必須做很多次才能把這些概率可靠地確定。
不幸的是，可能出現的三種壞情況：第一種，光子在波導中丟失；第二種，光子在發射到波導的過程中丟失；最后一種，光子源產生光子的效率太低，使得實驗需要進行很久，特別是對大型網絡，花費的時間會長得不切實際。
NIST開發的架構為這三個問題提供了解決方案，讓實驗更高效地進行，允許系統向更大規模發展。研究者用基于氮化硅的低損耗波導解決了光子在波導中丟失的問題；研究者直接把光子源放在芯片上，并建立了使光子直接高效發射到氮化硅波導的結構，來解決光子在發射到波導過程中丟失的問題。
為了解決第三個問題：光子的低產生率，NIST的研究組制作了基于量子點（體積微小具有量子效應的半導體，不同大小形狀和材料的量子點可以釋放不同頻率的光子——注）的單光子源，所用的量子點已經被證明可以高效地產生全同的（indistinguishable，指所有量子力學內秉屬性相同——注）單光子，不過此過程需在低溫下才能完成。
“這都是在成熟的集成光子制造技術基礎上做到的。這些技術早先在非量子設備中采用，還具可擴展性，這意味著我們可以制造有更多元件的更大電路。”論文第一作者，NIST研究科學家Marcelo Davanço說。
Davanço表明，現在這個設備架構和原先的區別在于光子源集成在了芯片上，而以往的大多數架構中光子都在芯片外產生，然后再發射到芯片上的波導網絡中，通常發射的光子丟失率都不低。
Davanço還宣稱他們的架構和那些光子源在芯片上的架構相比，也有優勢。“主要原因是我們用了兩種高性能材料，還設法將它們結合到了一張芯片上，同時保留了它們各自的性質，使其充分發揮潛能。”
據Davanço說，量子點的高性能很大程度上來源于深深將它們包裹其中的半導體材料：砷化鎵（GaAs）。砷化鎵有一個好處是它的高折光率，這使得用它制成的幾何結構可以將內部量子點產生的光子高效捕獲。
盡管砷化鎵在激發量子點方面很好用，它并不是制造低損波導的好材料。如果一個包裹在砷化鎵里的量子點產生的光子被發射到砷化鎵制成的波導里，它不是很快散射到波導外，就是很快在傳播時被材料吸收。
Davanço解釋道：“我們的解決方案是制作一個砷化鎵結構，使它既能高效捕獲內部量子點產生的光子，又能讓另一個砷化鎵結構將光子高效發射到以低損聞名的氮化硅波導中。”
目前他們論文中的設備用到了很多個量子點。接下來的研究中，他們的目標是制作只有一個量子點的設備。Davanço補充道：“這會讓我們對我們架構可以達到的全同性（indistinguishability）程度有更好的理解。”
（翻譯：顧金濤 審校：馬曉彤）
原文鏈接【科學美國人博客】：
https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/optoelectronics/a-mix-of-nanomaterials-leads-to-a-new-quantum-photonic-circuit-architecture
