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图片来源：NIST/Nature Communications. 在这幅假彩色扫描电镜图中，单个光子从二氧化硅表面（蓝）上的波导（粉）中穿过。

光子电路（quantum photonic circuits）是利用光的量子性质来进行信息处理和通讯的芯片装置，最近美国国立标准及技术研究院（NIST）的科学家为它开发出了一种新架构。

在发表在《自然-通讯》（Nature Communication）上的研究中，NIST的研究者及他们在中国和英国的合作者描述了他们开发的设备。它由低损耗的波导网络和单光子源组成（波导是一种让声光等波传播到特定方向的结构——注），集成在一张芯片上。这个架构将在光子计算和仿真领域，还有光子计量学和光子通信学中产生重大影响。

这个设备运转时会产生单光子流，发射到波导和分束器网络中，光子在网络中相互干涉，最后在网络的输出端被探测。

要直观感受这个研究的影响有多大，你必须知道现如今量子信息研究者们已经设计出了许多种可以进行量子仿真、计量和通讯的仪器，它们都建立于单个光子在大型波导及分束器网络中干涉的基础上。

这些系统中，光子被射出后会随机地移动并相互干涉。最后，它们会从网络的一个输出端口出去，从每个端口出去的概率由量子力学决定。这些概率就是实验的最终输出。因为上述过程的内在随机性，实验必须做很多次才能把这些概率可靠地确定。

不幸的是，可能出现的三种坏情况：第一种，光子在波导中丢失；第二种，光子在发射到波导的过程中丢失；最后一种，光子源产生光子的效率太低，使得实验需要进行很久，特别是对大型网络，花费的时间会长得不切实际。

NIST开发的架构为这三个问题提供了解决方案，让实验更高效地进行，允许系统向更大规模发展。研究者用基于氮化硅的低损耗波导解决了光子在波导中丢失的问题；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发射到氮化硅波导的结构，来解决光子在发射到波导过程中丢失的问题。

为了解决第三个问题：光子的低产生率，NIST的研究组制作了基于量子点（体积微小具有量子效应的半导体，不同大小形状和材料的量子点可以释放不同频率的光子——注）的单光子源，所用的量子点已经被证明可以高效地产生全同的（indistinguishable，指所有量子力学内秉属性相同——注）单光子，不过此过程需在低温下才能完成。

“这都是在成熟的集成光子制造技术基础上做到的。这些技术早先在非量子设备中采用，还具可扩展性，这意味着我们可以制造有更多元件的更大电路。”论文第一作者，NIST研究科学家Marcelo Davanço说。

Davanço表明，现在这个设备架构和原先的区别在于光子源集成在了芯片上，而以往的大多数架构中光子都在芯片外产生，然后再发射到芯片上的波导网络中，通常发射的光子丢失率都不低。

Davanço还宣称他们的架构和那些光子源在芯片上的架构相比，也有优势。“主要原因是我们用了两种高性能材料，还设法将它们结合到了一张芯片上，同时保留了它们各自的性质，使其充分发挥潜能。”

据Davanço说，量子点的高性能很大程度上来源于深深将它们包裹其中的半导体材料：砷化镓（GaAs）。砷化镓有一个好处是它的高折光率，这使得用它制成的几何结构可以将内部量子点产生的光子高效捕获。

尽管砷化镓在激发量子点方面很好用，它并不是制造低损波导的好材料。如果一个包裹在砷化镓里的量子点产生的光子被发射到砷化镓制成的波导里，它不是很快散射到波导外，就是很快在传播时被材料吸收。

Davanço解释道：“我们的解决方案是制作一个砷化镓结构，使它既能高效捕获内部量子点产生的光子，又能让另一个砷化镓结构将光子高效发射到以低损闻名的氮化硅波导中。”

目前他们论文中的设备用到了很多个量子点。接下来的研究中，他们的目标是制作只有一个量子点的设备。Davanço补充道：“这会让我们对我们架构可以达到的全同性（indistinguishability）程度有更好的理解。”

（翻译：顾金涛 审校：马晓彤）

原文链接【科学美国人博客】：

https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/optoelectronics/a-mix-of-nanomaterials-leads-to-a-new-quantum-photonic-circuit-architecture