将2D材料与氮化硅谐振器混合集成，使一系列单光子源与硅基光子按需精准结合。（图片来源：网络）

量子光子学的著名专家、电气和计算机工程助理教授Galan Moody的实验室成功创造了一种在芯片上产生单光子的新方法。

量子具有叠加态的特性，在应用中可以显著提高效率。研究人员在努力挖掘量子叠加、纠缠和隧穿的潜力，围绕未来量子技术的争论也在持续升级。

加州大学圣巴巴拉分校的博士生Kamyar Parto和他的研究伙伴表示，量子设备的当前状态类似于计算机在1950年的状态，即还处于发展初期。他们发表在《Nano Letters》上的论文详细介绍了在该领域的重大突破：通过创建一个芯片“工厂”来产生稳定、快速的单光子流。这对于光量子技术的进步至关重要。

Parto解释说：“在计算机开发的早期阶段，研究人员刚制造出了晶体管。尽管他们对如何制作数字开关有些想法，但技术支持还不成熟。不同团队开发了不同技术，最终都聚焦在CMOS（互补金属氧化物半导体）上，并围绕半导体实现了重大突破。如今，量子技术处于类似阶段：我们在探索它的应用场景，且开发了很多技术，如超导量子比特、硅中的自旋量子比特、静电自旋量子比特和离子阱量子计算机。而在Moody实验室，我们正在研究光量子。众多技术平台在竞争，但目前还没有明确的赢家。”

Parto预测，最终的获胜者将是不同技术的组合，因为每个技术平台都有其局限性。例如，使用光量子传输信息非常容易，因为光喜欢移动。而自旋量子比特可以更容易地存储信息，但不能传输这些数据。因此，我们可以利用更好的平台存储数据，尝试使用光量子来传输数据，获取数据后，再将其转换为另一种格式。

量子比特与经典比特有很大差异，它由特殊的量子技术驱动。经典比特只能存在于0或1的单一状态中，但量子比特可以同时处于0和1的叠加态。

Parto说，在光子学领域，单个光子既可以存在（状态1），也可以不存在（状态0）。因为单个光子拥有两能级系统，这意味着它可以以0状态、1状态或0和1的任何组合状态存在，例如50%的1状态和50%的0状态，或者80%的1状态和20%的0状态。Moody小组面临的挑战是如何高效地生成和收集单个光子。例如使用波导将光引导到芯片上，就像电线引导电流一样。

虽然使用波导在芯片上引导光子相对简单，但隔离单个光子并不容易，要建立一个快速有效地产生数十亿光子的系统则更为困难。在Moody小组最新的论文中介绍了一种技术，可以利用一种特殊的现象来产生单光子，显著提高效率。

Parto解释说：“如果我们把这些单光子放入不同的波导中，每个波导上有一千个单光子，那么通过编排沿着芯片上的波导传播的光子，便可以进行量子计算。这项工作可以扩大这些单光子的产量，以便实际应用。我们的突破是在室温下产生可靠的单光子，使其适合CMOS的大规模生产过程。”

产生单光子的方法有很多种，但Parto和他的同事们通过利用某些只有一个原子厚的二维（2D）半导体材料中的缺口来做到这一点。Parto说：“如果将光照射到正确的缺口上，材料中的缺口可以像‘工厂’一样，大概每3~5纳秒/次一个的频率推出单个光子。尽管还无法确定未来能达到的速度，但可能会比现在快得多。”

2D材料的一大优势是，它们能在特定位置设计缺口。此外，Parto也指出2D材料非常容易集成：“这些材料非常薄，你可以把它们拿起来放在任何其他材料上，而不受3D晶体材料的晶格几何形状的限制。”

为了制造有用的器件，必须以极高的精度将2D材料上的缺口放置在波导中。研究人员试图通过几种方式做到这一点，例如，将材料放在波导上，然后寻找已有的单个缺口。但就算缺口精确对齐并处于正确的位置，提取效率也只有20%到30%。这是因为单个缺口只能以一种特定的速率发射，而一些光是以倾斜角度发射，不是直接沿着波导的路径发射。该设计的提取效率上限仅为40%，但制造用于量子信息应用的有用设备需要99.99%的提取效率。

Parto解释说：“来自缺口的光本质上会照射到任何地方，但我们想让它照射到这些波导中。我们有两个选择。如果把波导放在缺口的顶部，也许10%到15%的光会进入波导。这是远远不够的。但我们可以利用珀塞尔效应来提高效率，并将更多的光引导到波导中。

“我们可以通过将缺口放置在光学腔内来做到这一点。在我们的研究中，光学腔是一个微环谐振器的形状，也是唯一允许我们将光耦合到波导和流出的空腔。如果空腔足够小，它将排除电磁场的真空波动，这些波动会导致光子从缺口自发发射到光模式。通过将量子涨落挤压到有限体积的空腔中，可以使缺口上的波动增加并优先向环发射光，从而提高提取效率。”

在使用微环谐振器的实验中，该团队实现了46%的提取效率，比以前提高了一个数量级。Moody说：“这些结果令人振奋，因为2D材料中的单光子发射器解决了其他材料在可扩展性和可制造性方面面临的一些突出问题。在短期内，我们将探索它们在量子通信中的一些应用，而我们的长期目标是继续开发这个量子计算和网络平台。”

为此，该小组要将其效率提高到99%以上，这需要更高质量的氮化物谐振器环。“为了提高效率，从氮化硅薄膜中雕刻出环时，需要保证环非常光滑，”Parto解释说。“然而，如果材料本身不是完全结晶的，那么即使它在原子水平上是平滑的，表面可能仍是粗糙的海绵状，导致光从它们身上散射。”

尽管已经有很多团队选择购买氮化物来保证其高质量，Parto和他的团队仍选择自己制造氮化物。他说：“我们必须自研，因为我们必须在材料下面放置缺口。而且，我们所使用的是一种特殊类型的氮化硅，这样才能最大限度地减少单光子应用的背景光。而其他公司生产的氮化物无法提供这些。”

编译：卉可

编辑：慕一