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美国史蒂文斯理工学院开发出片上量子发射器可扩展平台
2018-10-31


[据物理学组织网站20181029日报道] 家用电灯泡发出混乱的能量流,数以万亿计的微小光粒子即光子向各个方向不断反射和散射。量子光源则完全不同,如同光枪一般只能依靠拨动扳机一个接一个地发射单个光子,同时携带可防止黑客攻击的数字信息,这项技术对金融业和国防来说具有巨大应用价值。



近日,史蒂文斯理工学院和哥伦比亚大学合作开发出一项在单片上精确制造大规模量子光源的可扩展技术方案,不仅为构建难以破解的密码系统带来了希望,还有望使量子计算机在数秒内完成普通计算机需要几年时间才能完成的复杂计算。



研究人员指出,对于可扩展量子光源的研究已经进行了20多年时间,史蒂文斯理工学院的研究首次在可扩展芯片上实现了空间控制和高效率的结合,这是实现量子技术所需要的。该研究是一种通过在金质纳米立方体上拉伸原子尺寸厚度过渡金属二硫化物半导体二硒化钨(WSe2)薄膜的途径在单芯片的任意位置按需构建量子光源的新方法。就像将绷紧的保鲜膜置于纳米立方体的棱角上,通过留下的印记来确定单光子发射器的位置。



过去的一些研究已经验证了在指定位置产生量子发射器的可行性,但这些设计不具有可扩展性,且触发单个光子的频率不够高,效率比较低,不足以实用。史蒂文斯理工学院的研究工作改变了这一切,首次将空间控制和扩展性相结合,实现了按需高效发射光量子的要求。



为实现这些能力,研究团队设计了一个特殊的方案,其中金质立方体的作用是将量子发射器印在芯片上并同时充当其周围的天线。除了在金质立方体和镜面之间构建量子发射器,研究团队还专门留出一个宽度仅为5纳米的窄缝,此宽度相当于一张纸厚度的两万分之一。这一窄缝相当于一种光学天线,可将量子发射器发射的所有光子收集到5纳米的狭窄空间内,使能量集中,从而提高单个光量子在指定位置向所需方向进行发射的速率。为进一步提升量子光源的效率,史蒂文斯理工学院研究团队还与哥伦比亚大学研究团队合作开发出一种生长无缺陷二硒化钨半导体晶体的新技术。研究团队正是利用该技术生长出二硒化钨半导体晶体制成构建量子光源所需的原子尺寸厚度薄膜。



实验测试表明,利用新方法构建的量子发射器每秒发射单光子的数目达到了创纪录的4200万个。换句话说,现在每秒钟每个触发器都会根据需要产生一个光子,而在此之前,最理想的情况是每秒钟每100个触发器中只有一个产生光子,相比之下发射效率提升了100倍。



研究人员强调,虽然发射器的尺寸很小,但却十分稳定,很耐用。无论是经过冷却、加热,还是拆开谐振器后重新安装,发射器都能继续正常工作。在以前,绝大多数量子发射器必须保持-273°C的冷却状态才能正常工作,采用新技术后发射器的工作温度升高到了-70°C,虽然还没有达到室温,但从目前的实验结果来看,未来还是可以实现的。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)



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