用于量子计算的低损耗光子芯片电路-煤油灯科技

用于量子计算的低损耗光子芯片电路

煤油灯科技2023-03-11 07:52

量子计算机将使用光而不是电荷来存储和携带信息。在光通信以及量子计算机的设计中，以最小的损耗传输和操纵光的最小单位——光子的能力起着关键作用。现在，由美国国家标准和技术研究所（NIST）的研究人员和他们的同事已经在单个微芯片上实现了量子点和微型电路的连接。其中，量子点（即人造原子）被激光照射时可以根据需要快速产生单个光子，微型电路可以引导光而不会显著损失强度。

图1. 未来的新光子电路将采用低损耗波导，即单个光子穿过的约3米长通道，但紧密缠绕以适合芯片。长波导将允许研究人员更精确地选择光子离开不同通道在特定位置会合的时间间隔（Δt）。（来源：NIST）

为了创造超低损耗电路，研究人员制造了光子传播的通道——氮化硅（Si3N4）波导，并将它们埋在二氧化硅（SiO2）中。这些通道又宽又浅，这种几何形状降低了光子从波导中散射出去的可能性。将波导封装在二氧化硅中也有助于减少散射。

科学家们报告说，他们的原型电路的强度损耗仅相当于其他团队制造的类似电路（也使用量子点）的1/100。最终，采用这种新芯片技术的器件可以利用量子力学的奇怪特性来执行经典（非量子）电路可能无法完成的复杂计算。

图2. 在芯片上创建新的超低损耗光子电路的一些步骤。一个微探针从一个芯片上抬起一个包含量子点的砷化镓器件，量子点是产生单光子的人造原子。然后，探针将量子点器件置放在另一个晶片上的低损耗氮化银波导上。（来源：S. Kelley / NIST）

例如，根据量子力学定律，单个光子有可能同时驻留在两个不同的地方，例如两个不同的波导。这些概率可以用来存储信息；一个单独的光子可以充当量子位，它比经典计算机的二进制位携带更多的信息，经典计算机的二进制位仅限于0或1的值。

为了执行解决计算问题所需的操作，这些以相同的速度传播，且彼此无法区分的光子量子位，都必须同时到达电路中的特定处理节点。这带来了一个挑战，因为来自不同位置的光子沿着不同的波导传播，在电路中可能位于离处理点明显不同的距离。为了确保同时到达，离指定目的地较近的光子必须延迟行程，让位于较远波导的光子领先一步。

由NIST研究人员（包括Ashish Chanana和Marcelo Davanco），以及一个国际同事团队设计的电路，允许显著的时间延迟，因为它采用了不同长度的波导，可以让光子存储相对较长的时间。例如，研究人员计算出，一个3米长的波导（通过紧密缠绕工艺，在芯片上的直径只有几毫米）以20纳秒的时间延迟传输光子的概率达50%。相比之下，以前由其他团队开发并在类似条件下运行的器件仅限于诱导时间延迟的1/100。

对于来自一个或多个量子点的光子来说，要以相等的时间间隔到达特定位置，新电路实现的更长延迟时间非常关键。此外，低损耗的量子点电路可以大幅增加单个光子的数量，以便在芯片上携带量子信息，从而实现更大、更快、更可靠的计算和信息处理系统。

图3. 来自加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、麻省理工学院（MIT）、韩国科技学院和巴西圣保罗大学（University of So Paulo in Brazil）的科学家们在2022年12月11日的《自然通讯》上所报道的发现。激光照射在量子点上并触发它们产生一系列穿过氮化硅波导的单光子。（来源：S. Kelley / NIST）

该混合电路由两个组件组成，每个组件最初都构建在一个独立的芯片上。一个是由NIST设计和制造的砷化镓（GaAs）半导体器件，它承载量子点，并将它们产生的单个光子直接导入第二个器件——UCSB开发的低损耗氮化硅（Si3N4）波导。