“芯片”是支撑计算机，手机，互联网和其他应用程序重要部件。到2025年，人类有望创造175 ZB（175万亿千兆字节）的新数据。我们如何才能确保如此大量的敏感数据的安全性？以及如何利用这些数据来解决从隐私和安全到气候变化等类似问题，特别是在当前计算机功能有限的情况下？ 

新兴的量子通信和计算技术是一个有希望的替代方案。

为了实现这一点，将需要广泛开发功能强大的新型量子光学电路。能够安全处理我们每天生成的大量信息的电路。南加州大学莫克家族化学工程与材料科学系的研究人员在帮助实现该技术方面取得了突破。

传统电路是电荷中的电子沿其流动的路径，而量子光电路则使用按需一次生成单个光粒子或光子的光源，充当信息携带位（量子位或量子位）。这些光源是纳米尺寸的半导体“量子点”-数以万计至一百万个原子的微小制造集合，堆积在线性大小的体积内，该体积小于埋在另一种合适半导体矩阵中的典型人类头发厚度的千分之一。

迄今为止，它们已被证明是最通用的按需单光子发生器。光学电路要求将这些单个光子源以规则图案布置在半导体芯片上。然后必须沿引导方向释放来自光源的具有几乎相同波长的光子。这允许它们被操纵以与其他光子和粒子形成相互作用，以传输和处理信息。

迄今为止，这种电路的开发一直存在很大的障碍。例如，在当前的制造技术中，量子点具有不同的尺寸和形状，并在随机位置上组装在芯片上。点具有不同的大小和形状的事实意味着它们释放的光子不具有均匀的波长。这种情况和位置顺序的缺乏使它们不适用于光学电路的开发。

在最近发表的工作中，南加州大学的研究人员表明，确实可以从以精确模式排列的量子点以均匀的方式发射单个光子。应当指出，对准量子点的方法是由首席信息官Anupam Madhukar教授及其团队在USC首次开发的，将近30年前，远远早于当前在量子信息方面的爆炸性研究活动和对单芯片的兴趣。在这项最新工作中，USC团队使用了这种方法来创建具有出色的单光子发射特性的单量子点。期望精确对准均匀发射的量子点的能力将使光电路的生产成为可能，从而可能导致量子计算和通信技术的新进展。

该研究成果由APL Photonics出版，由目前在莫克家族化学工程和材料科学系担任研究助理教授的张杰非，以及相应的作者Anupam Madhukar，肯尼斯·诺里斯工程学教授和化学工程学教授进行，电机工程，材料科学和物理。

张说：“这一突破为从单光子物理学的实验室演示向量子光子电路的芯片级制造迈出了下一步。” “这在量子（安全）通信，成像，传感和量子模拟与计算中具有潜在的应用。”

Madhukar说，必须以精确的方式对量子点进行排序，以便可以操纵从任何两个或多个点释放的光子在芯片上相互连接。这将构成量子光电路构建单元的基础。

“如果光子的来源是随机放置的，那将无法实现。” 马达胡卡说。 “

目前允许我们在线交流的技术，例如使用诸如Zoom之类的技术平台，是基于矽集成电子芯片的。如果该芯片上的晶体管没有放置在精确设计的位置，则不会集成电路”，Madhukar说。对量子点之类的光子源创建量子光路的要求是相同的。

这项研究得到了空军科研办公室（AFOSR）和美国陆军研究办公室（ARO）的支持。

陆军研究办公室项目经理埃文·特伦斯特罗姆（Evan Runnerstrom）表示：“这一进步是解决基础材料科学挑战（例如如何创建具有精确位置和组成的量子点）如何对诸如量子计算等技术产生重大下游影响的重要例子。是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的组成部分。“这表明ARO在基础研究方面的目标投资如何支持陆军在网络等领域的持久现代化工作。 ”

为了创建电路的量子点的精确布局，该团队使用了一种在1990年代初由Madhukar集团开发的称为SESRE（基板编码的尺寸减小外延）的方法。在当前的工作中，该团队在由砷化镓（GaAs）组成的扁平半导体衬底上制造了具有定义的边缘方向，形状（侧壁）和深度的规则尺寸的纳米台面阵列。然后，通过使用以下技术添加适当的原子，在台面顶部创建量子点。 

首先，传入的镓（Ga）原子聚集在表面能的作用下吸引的纳米级台面顶部，并在其中沉积GaAs。然后，将进入的通量转换为铟（In）原子，依次沉积砷化铟（InAs），然后再沉积Ga原子以形成GaAs，从而形成最终释放单个光子的所需单个量子点。为了用于创建光学电路，金字塔形纳米台面之间的空间需要用能使表面变平的材料填充。不透明GaAs的最终芯片被描述为量子点位于其下的半透明覆盖层。

“这项工作还创下了有序和可扩展量子点的新世界纪录，其单光子发射的同时纯度大于99.5％，并且所发射光子的波长均匀性可以达到：窄至1.8nm，比典型的量子点好20到40倍。”张说。

张说，通过这种均匀性，应用诸如局部加热或电场之类的既定方法来微调量子点的光子波长以彼此精确匹配变得可行，这对于在不同量子点之间创建所需的互连是必要的。用于电路。

这意味着研究人员首次可以使用成熟的半导体处理技术来创建可扩展的量子光子芯片。此外，该团队现在的工作重点是确定从相同和/或不同量子点发出的光子如何相同。不可区分的程度是干扰和纠缠的量子效应的中心，这是量子信息处理（通信，感测，成像或计算）的基础。

张总结说：“我们现在有一种方法和一个材料平台，可提供可扩展和有序的源，以生成潜在不可区分的单光子，用于量子信息应用。该方法是通用的，可用于其他合适的材料组合以创建在一个或多个分子上发射的量子点。广泛的波长范围适合不同的应用，例如基于光纤的光通信或中红外方案，适合于环境监测和医学诊断。”

光电和光子学AFOSR计划官员Gernot S. Pomrenke表示，片上按需单光子源的可靠阵列是向前迈出的重要一步。

庞伦克说：“在量子信息研究活动成为主流之前，这项令人印象深刻的增长和材料科学工作需要三十多年的奉献精神。” “获得美国国防部其他机构的AFOSR初始资金和资源对于实现Madhukar，他的学生和合作者俱有挑战性的工作和构想至关重要。这项工作极有可能彻底改变数据中心，医学诊断，国防和国防部门的能力。

来源：贤集网