量子光子学有望迎来突破,开创强大的光路新时代-通信技术-cnBeta.COM

使用光子(光粒子)制造量子光学电路的全球开创性方法预示着安全通信和量子计算的新未来。 现代世界由“芯片”上的电子电路提供动力,“芯片”是我们常见的计算机,手机,互联网和其他应用程序中的基本半导体芯片。 到2025年,预计人类将创建175 ZettaBytes(175万亿GB)的新数据。

拥有如此大量的数据,我们如何确保敏感数据的安全性? 我们如何使用这些数据来解决诸如隐私,安全和气候变化等重要挑战? 特别是考虑到当今计算机的功能有限。

一种有希望的选择是新兴的量子通信和计算技术。 但是,这样做需要强大的新型量子光电路的广泛开发。 这样的电路可以安全地处理我们每天生成的大量信息。 南加州大学莫克家族化学工程与材料科学系的研究人员已经取得了突破,以帮助实现该技术。

传统电路是电荷中的电子沿路径流动,而量子光路径使用光源根据需要顺序生成单个光粒子或光子作为承载信息的位(量子位或量子位)。 这些光源是纳米级的半导体“量子点”-由数万至一百万个原子组成的微型制造集合,其线性大小小于埋在另一根头发中的典型人类头发的厚度的千分之一。合适的半导体。 矩阵。

迄今为止,它们已被证明是需求最丰富的单光子发生器。 光路要求将这些单独的光子源以规则的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几乎相同波长的光子。 这样,可以操纵它们与其他光子和粒子进行交互,以传输和处理信息。

到目前为止,这种电路的开发仍然存在主要障碍。 例如,在当今的制造技术中,量子点具有不同的大小和形状,并在随机位置组装到芯片上。 这些点的大小和形状不同的事实意味着它们发射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,单个光子可以非常精确地排列,并且量子点均匀地发射。 应当指出,量子点组织方法是由首席研究教授Anupam-Maduka和他的团队在大约30年前开发的,它比现在的量子信息要早得多。 以及对芯片上单光子源的兴趣。 在这项最新工作中,USC团队使用此方法创建了独特的量子点,这些量子点具有显着的独特光子发射特性。 精确地均匀组织和发射量子点的能力有望使光电路的生产成为可能,并可能导致量子计算和通信技术的进一步发展。

发表在《 APL光子学》上的研究突破由张杰飞领导,他目前是莫克家族化学工程和材料科学系的研究助理教授,而通讯作者是肯尼斯·诺里斯(Kenneth T. Norris)电气工程和化学工程教授,材料Anupam Madhukar,科学和物理教授。

必须对量子点进行精确分类,以便可以操纵由两个或多个点释放的光子,使其在芯片上相互连接。 这将构成量子光路的基础。 这项工作还为有序和可扩展的量子点创造了新的世界纪录。 单光子发射的纯度大于99.5%,并且所发射的光子的波长均匀性可以降低到1.8nm,这比典型的量子点要窄。 从20提升至40倍。 借助这种均匀性,可以使用现有方法(例如局部加热或电场)来调整量子点的光子波长以使其完全匹配,这对于在不同量子点之间创建电路所需的互连变得可行。

这意味着研究人员第一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,该团队目前的工作重点是建立由相同和/或不同量子点发射的相同程度的光子。 不可区分的程度是干涉和纠缠的量子效应的核心,并且是量子信息处理(通信,感测,成像或计算)的基础。

AFOSR的光子学和光电学计划官Gernot S. Pomrenke说,可靠的片上单光子源阵列是向前迈出的一大步。

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