“芯片”是支撐計算機，手機，互聯網和其他應用程序重要部件。到2025年，人類有望創造175 ZB（175萬億千兆字節）的新數據。我們如何才能確保如此大量的敏感數據的安全性？以及如何利用這些數據來解決從隱私和安全到氣候變化等類似問題，特別是在當前計算機功能有限的情況下？

新興的量子通信和計算技術是一個有希望的替代方案。

為了實現這一點，將需要廣泛開發功能強大的新型量子光學電路。能夠安全處理我們每天生成的大量信息的電路。南加州大學莫克家族化學工程與材料科學系的研究人員在幫助實現該技術方面取得了突破。

傳統電路是電荷中的電子沿其流動的路徑，而量子光電路則使用按需一次生成單個光粒子或光子的光源，充當信息攜帶位（量子位或量子位）。這些光源是納米尺寸的半導體“量子點”-數以萬計至一百萬個原子的微小製造集合，堆積在線性大小的體積內，該體積小於埋在另一種合適半導體矩陣中的典型人類頭髮厚度的千分之一。

迄今為止，它們已被證明是最通用的按需單光子發生器。光學電路要求將這些單個光子源以規則圖案佈置在半導體芯片上。然後必須沿引導方向釋放來自光源的具有幾乎相同波長的光子。這允許它們被操縱以與其他光子和粒子形成相互作用，以傳輸和處理信息。

迄今為止，這種電路的開發一直存在很大的障礙。例如，在當前的製造技術中，量子點具有不同的尺寸和形狀，並在隨機位置上組裝在芯片上。點具有不同的大小和形狀的事實意味著它們釋放的光子不具有均勻的波長。這種情況和位置順序的缺乏使它們不適用於光學電路的開發。

在最近發表的工作中，南加州大學的研究人員表明，確實可以從以精確模式排列的量子點以均勻的方式發射單個光子。應當指出，對準量子點的方法是由首席信息官Anupam Madhukar教授及其團隊在USC首次開發的，將近30年前，遠遠早於當前在量子信息方面的爆炸性研究活動和對單芯片的興趣。在這項最新工作中，USC團隊使用了這種方法來創建具有出色的單光子發射特性的單量子點。期望精確對準均勻發射的量子點的能力將使光電路的生產成為可能，從而可能導致量子計算和通信技術的新進展。

該研究成果由APL Photonics出版，由目前在莫克家族化學工程和材料科學系擔任研究助理教授的張傑非，以及相應的作者Anupam Madhukar，肯尼斯·諾里斯工程學教授和化學工程學教授進行，電機工程，材料科學和物理。

張說：“這一突破為從單光子物理學的實驗室演示向量子光子電路的芯片級製造邁出了下一步。” “這在量子（安全）通信，成像，傳感和量子模擬與計算中具有潛在的應用。”

Madhukar說，必須以精確的方式對量子點進行排序，以便可以操縱從任何兩個或多個點釋放的光子在芯片上相互連接。這將構成量子光電路構建單元的基礎。

“如果光子的來源是隨機放置的，那將無法實現。” 馬達胡卡說。 “

目前允許我們在線交流的技術，例如使用諸如Zoom之類的技術平台，是基於矽集成電子芯片的。如果該芯片上的晶體管沒有放置在精確設計的位置，則不會集成電路”，Madhukar說。對量子點之類的光子源創建量子光路的要求是相同的。

這項研究得到了空軍科研辦公室（AFOSR）和美國陸軍研究辦公室（ARO）的支持。

陸軍研究辦公室項目經理埃文·特倫斯特羅姆（Evan Runnerstrom）表示：“這一進步是解決基礎材料科學挑戰（例如如何創建具有精確位置和組成的量子點）如何對諸如量子計算等技術產生重大下游影響的重要例子。是美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的組成部分。“這表明ARO在基礎研究方面的目標投資如何支持陸軍在網絡等領域的持久現代化工作。 ”

為了創建電路的量子點的精確佈局，該團隊使用了一種在1990年代初由Madhukar集團開發的稱為SESRE（基板編碼的尺寸減小外延）的方法。在當前的工作中，該團隊在由砷化鎵（GaAs）組成的扁平半導體襯底上製造了具有定義的邊緣方向，形狀（側壁）和深度的規則尺寸的納米檯面陣列。然後，通過使用以下技術添加適當的原子，在檯面頂部創建量子點。

首先，傳入的鎵（Ga）原子聚集在表面能的作用下吸引的納米級檯面頂部，並在其中沉積GaAs。然後，將進入的通量轉換為銦（In）原子，依次沉積砷化銦（InAs），然後再沉積Ga原子以形成GaAs，從而形成最終釋放單個光子的所需單個量子點。為了用於創建光學電路，金字塔形納米檯面之間的空間需要用能使表面變平的材料填充。不透明GaAs的最終芯片被描述為量子點位於其下的半透明覆蓋層。

“這項工作還創下了有序和可擴展量子點的新世界紀錄，其單光子發射的同時純度大於99.5％，並且所發射光子的波長均勻性可以達到：窄至1.8nm，比典型的量子點好20到40倍。”張說。

張說，通過這種均勻性，應用諸如局部加熱或電場之類的既定方法來微調量子點的光子波長以彼此精確匹配變得可行，這對於在不同量子點之間創建所需的互連是必要的。用於電路。

這意味著研究人員首次可以使用成熟的半導體處理技術來創建可擴展的量子光子芯片。此外，該團隊現在的工作重點是確定從相同和/或不同量子點發出的光子如何相同。不可區分的程度是乾擾和糾纏的量子效應的中心，這是量子信息處理（通信，感測，成像或計算）的基礎。

張總結說：“我們現在有一種方法和一個材料平台，可提供可擴展和有序的源，以生成潛在不可區分的單光子，用於量子信息應用。該方法是通用的，可用於其他合適的材料組合以創建在一個或多個分子上發射的量子點。廣泛的波長范圍適合不同的應用，例如基於光纖的光通信或中紅外方案，適合於環境監測和醫學診斷。”

光電和光子學AFOSR計劃官員Gernot S. Pomrenke表示，片上按需單光子源的可靠陣列是向前邁出的重要一步。

龐倫克說：“在量子信息研究活動成為主流之前，這項令人印象深刻的增長和材料科學工作需要三十多年的奉獻精神。” “獲得美國國防部其他機構的AFOSR初始資金和資源對於實現Madhukar，他的學生和合作者俱有挑戰性的工作和構想至關重要。這項工作極有可能徹底改變數據中心，醫學診斷，國防和國防部門的能力。

來源：賢集網