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在光通信以及使用光而不是电荷来存储和传输信息的量子计算机的设计中，要做到以最小的损耗传输，并能操纵最小单位光，光子起着至关重要的作用。

现在，美国国家标准与技术研究院的研究人员已经在单个微芯片上连接了量子点，用激光照射人造原子，快速按需产生单个光子，并且没有明显的强度损失。

为了创建超低损耗电路，研究人员制造了氮化硅波导并将其嵌入二氧化硅中。通道很宽但很浅，这种设计是为了避免光子从波导散射，将波导封装在二氧化硅中也有助于减少散射。

科学家们说，比起使用量子点的类似电路，原型电路只有百分之一的密度损失，由其他团队生产。最终，采用这种新芯片技术的设备可以利用量子力学的奇特性质，来执行经典电路无法执行的复杂计算。

例如，根据量子力学定律，单个光子有可能同时在两个不同的地方，比如在两个不同的波导中。这种特性可用于存储信息。单个光子可以充当量子比特，携带的信息比经典计算机的二进制比特多得多，经典计算机的比特只有0或1。

为了执行必要的操作来解决计算问题，这些光子量子比特不仅要求波长相同，移动速度也要相同，必须同时到达电路中的某些处理节点。这带来了挑战，因为光子来自电路不同位置，并沿不同波导传播，它们以与处理点明显不同的距离延伸。为了实现同时到达，对于那些发射到离确定目的地更近的光子，必须延迟它们的旅程，给那些在更远的波导中的光子提供时间。

该电路由NIST研究人员（包括Ashish Chanana和Marcelo Davanco）与国际同事团队设计，时间实现了显著延迟，因为它使用各种长度的波导，可以将光子存储相对较长的时间。据研究人员计算，一个3米长的波导将以20纳秒的延迟发射光子，这个概率是50%。而其他团队开发的先前设备，在类似条件下运行时，实现概率仅为百分之一。

对于来自一个或多个量子点的光子必须在相同时间内到达某个位置的过程，新电路要实现更长的延迟时间也很重要。此外，低损耗量子点电路可以显著增加单光子数量，这些光子可用于在芯片上携带量子信息，从而实现更大、更快、更可靠的计算和信息处理系统。

2022年12月，包括来自加州大学圣巴巴拉分校、麻省理工学院、韩国科学技术研究所和巴西圣保罗大学的研究人员在内的科学家报告了他们的发现。由两个组件组成的混合电路，最初每个组件构建在单独的芯片上，其中一个是在NIST设计和制造的砷化镓半导体器件，它容纳量子点并将其产生的单光子直接引导到第二个器件：UCSB开发的低损耗氮化硅波导。

为了结合这两种组件，麻省理工学院的研究人员首先使用微探针的薄金属尖端，其作用类似于微型撬棍，将砷化镓器件从NIST制造的芯片中拉出。然后，他们将其放置在另一个芯片上的氮化硅电路顶部。

在混合电路大规模用于光子器件之前，研究人员面临着几个挑战。目前，量子点产生的单个光子中，只有约6%可以引导到电路中。然而，模拟表明，如果改变光子指向的角度，同时改善量子点的位置和方向，该比例将会上升到80%以上。

另一个问题是，创建量子计算操作需要波长相同的光子，但量子点并不总是发射波长完全相同的单个光子。该团队正在探索多种策略，包括恒定电场的应用。

编译：卉可

编辑：慕一