在硅晶元邊緣產生原始量子光源

研究人員在晶元上配置硅環以發射高質量的光子，可用於量子信息處理。圖片來源：聯合量子研究所。

你所能得到光的最小單位是一個光子，其本質如此黯淡以至於它對人類來說是不可見的。雖然這些細微的能量是不可察覺的，但對於攜帶量子信息來說是有用的。理想情況下，每個量子信使都是相同的，但是沒有一種簡單的方法來產生一串相同的光子。當利用製造的晶元產生單個光子時，這種需求是尤其具有挑戰性的。

現在，聯合量子研究所（JQI）的研究人員已經展示了一種新的方法，使得不同的裝置能夠重複發射幾乎相同的單光子。由聯合量子研究所的研究員Mohammad Hafezi領導的研究小組製造了一個硅晶元，用來引導光繞著設備的邊緣運行，這種情況下，它會在本質上被保護免受干擾。此前，Hafezi和他的同事們表明，這種設計可以降低光信號退化的可能性。9月10日發表在《自然Nature》雜誌的一篇在線論文中，研究小組解釋說，保護晶元邊緣的光的相同物理學原理也確保了可靠的光子產生。

單光子是量子光的一個例子，它不僅僅是暗淡的光。這種區別與光的來源有很大關係。美國陸軍研究實驗室的研究員、這項研究的合著者Elizabeth Goldschmidt說：「我們日常生活中遇到的大部分光都充滿了光子。但是，與燈泡不同，有些光源實際上發射光，一次發射一個光子，這隻能用量子物理來描述，」

許多研究人員正在致力於構建可靠的量子光發射器，以便能夠隔離和控制單光子的量子特性。戈德施密特解釋說，這種光源對於未來的量子信息器件以及進一步理解量子物理學的奧秘可能很重要。Goldschmidt說，「現代通信很大程度上依賴於非量子光。類似地，我們中的許多人相信，任何類型的量子通信應用都需要單光子。」

當光束通過某些材料時，科學家們可以使用自然的顏色變化過程產生量子光。在這個實驗中，研究小組使用硅，這是一種常見的材料，工業上選擇來引導光線，將紅外激光轉換成一對不同顏色的單光子。

他們把光注入到一個包含一小片硅迴路的晶元中。在顯微鏡下，這些環看起來像鏈接起來的玻璃跑道。光在每個環上循環數千次，然後移動到相鄰的環路上。光的路徑伸展到幾厘米長，但是環路使得在距離小約500倍的空間里旅行成為可能。需要較長的旅程才能從硅晶元中獲得許多成對的單光子。

這種環形陣列通常用作單光子源，但是晶元之間的微小差異將導致光子顏色因器件而異。即使在單個器件內，材料中的隨機缺陷也可以降低平均光子質量。這是量子信息應用中的一個問題，研究者需要光子儘可能接近相同。

該研究小組通過安排環路的方式避免了這個問題，這種方式總是可以實現光不受干擾地繞著晶元邊緣傳播，即使存在製造缺陷。這種設計不僅屏蔽了光的中斷，而且限制了單光子在這些邊緣通道中的形成。環形布局實質上迫使每個光子對與下一個光子對幾乎相同，而不管環之間的微觀差異。晶元的中心部分不包含受保護的路徑，因此在這些區域中產生的任何光子都受到材料缺陷的影響。

研究人員將他們的晶元與沒有任何保護路線的晶元進行了比較。他們從不同的晶元中收集成對的光子，計算出發射的數量並記錄它們的顏色。他們觀察到，他們的量子光源一次又一次地可靠地產生高質量的單色光子，而傳統晶元的輸出更不可預測。

聯合量子研究所的博士後研究員、新研究的主要作者Sunil Mittal說：「我們最初認為我們需要在設計上更加小心，並且光子對我們的晶元的製造過程更加敏感。但是，令人驚訝的是，不管晶元有多糟糕，在這些被屏蔽的邊緣通道中產生的光子總是幾乎相同的。」

Mittal補充說，這個裝置比其他單光子源有一個額外的優勢。「我們的晶元在室溫下工作。我不必像其他量子光源那樣把它冷卻到低溫，這樣實現起來就比較簡單了。」

研究小組說，這一發現可能開闢一條新的研究途徑，將量子光與具有內置保護特性的光子器件結合起來。物理學家最近才意識到，這種新型的屏蔽路徑從根本上改變了光子與物質相互作用的方式。這可能對光和物質相互作用起作用的各種領域有影響，包括量子信息科學和光電子技術。

來源：https://phys.org/news/2018-09-pristine-quantum-source-edge-silicon.html

直接點擊公眾號「在線諮詢」菜單，客服會為您提供國內外光電儀器、元器件採購資詢服務(工作時間周一至周五8:30-18:00)

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！