混杂两种纳米资料制作光子电路新架构

时间:2017-12-06 13:25:18 来源:
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原题目:混杂两种纳米材料制造光子电路新架构

导语:光子芯片有望成为代替电子芯片的候选者。最近美国国破尺度及技术研究院(NIST)的研究者联合氮化硅跟砷化镓两种资料的上风,战胜了光子电路中信息高损耗的三大问题:让光子发生得更快,丧失得更少,传递得更多。设计出的芯片光子电路将让一大量基于光子干预的盘算设备更高效运行,而且使得光子电路向更大范围发展成为可能。

图片来源:NIST/Nature Communications

在这幅假彩色扫描电镜图中,单个光子从二氧化硅名义(蓝)上的波导(粉)中穿过。

光子电路(quantum photonic circuits)是应用光的量子性质来进行信息处置和通信的芯片安装,最近美国国立标准及技术研究院(NIST)的科学家为它开发出了一种新架构。

在发表在《天然通讯》(Nature Communication)上的研究中,NIST的研究者及他们在中国和英国的配合者描写了他们开发的设备。它由低损耗的波导网络和单光子源组成(波导是一种让声光等波流传到特定方向的结构??注),集成在一张芯片上。这个架构将在光子计算和仿真范畴,还有光子计量学和光子通讯学中产生重大影响。

这个设备运转时会产生单光子流,发射到波导和分束器网络中,非诺贝特小测试谜底解析,光子在网络中彼此干涉,最后在网络的输出端被探测。

要直观感触这个研究的影响有多大,你必需晓得现现在量子信息研究者们已经设计出了很多种可以进行量子仿真、计量和通讯的仪器,它们都树立于单个光子在大型波导及分束器网络中干涉的基础上。

这些系统中,光子被射出后会随机地挪动并互相干涉。最后,它们会从网络的一个输出端口出去,从每个端口出去的概率由量子力学决议。这些概率就是实验的终极输出。由于上述过程的内在随机性,日本挖下88米巨坑,中国砸20亿填8年遭讥嘲,今天,震撼一幕曝光,西方群体哑火,实验必须做很屡次能力把这些概率牢靠地断定。

可怜的是,可能呈现的三种坏情形:第一种,光子在波导中丢失;第二种,光子在发射到波导的过程中丢失;最后一种,光子源产生光子的效力太低,使得试验须要进行良久,特殊是对大型网络,破费的时光会长得不切实际。

NIST开发的架构为这三个问题供给了解决方案,让实验更高效地进行,容许体系向更大规模发展。研究者用基于氮化硅的低损耗波导解决了光子在波导中丢失的问题;研究者直接把光子源放在芯片上,并建立了使光子直接高效发射到氮化硅波导的结构,来解决光子在发射到波导过程中丢失的问题。

为懂得决第三个问题:光子的低产生率,NIST的研究组制造了基于量子点(体积渺小存在量子效应的半导体,不同大小外形和材料的量子点可以开释不同频率的光子??注)的单光子源,所用的量子点已经被证实可以高效地产生全同的(indistinguishable,指所有量子力学内秉属性雷同??注)单光子,不外此进程需在低温下才干实现。

“这都是在成熟的集成光子制作技术基本上做到的。这些技巧早先在非量子装备中采取,还具可扩大性,除了互联网大会5大黑科技,还要给中国制作猖狂打call……,这象征着咱们能够制造有更多元件的更大电路。”论文第一作者,NIST研讨迷信家Marcelo Davanço说。

Davanço表明,当初这个设备架构和本来的差别在于光子源集成在了芯片上,而以往的大多数架构中光子都在芯片外产生,而后再发射到芯片上的波导网络中,通常发射的光子丢失率都不低。

Davanço还声称他们的架构和那些光子源在芯片上的架构比拟,也有优势。“重要起因是我们用了两种高性能材料,还想法将它们结合到了一张芯片上,同时保存了它们各自的性质,使其充足施展潜能。”

据Davanço说,量子点的高机能很大水平上起源于深深将它们包裹其中的半导体材料:砷化镓(GaAs)。砷化镓有一个利益是它的高折光率,这使得用它制成的多少何构造可以将内部量子点产生的光子高效捕捉。

只管砷化镓在激发量子点方面很好用,它并不是制造低损波导的好材料。假如一个包裹在砷化镓里的量子点产生的光子被发射到砷化镓制成的波导里,它不是很快散射到波导外,就是很快在传布时被材料接收。

Davanço说明道:“我们的解决计划是制作一个砷化镓结构,使它既能高效捕获内部量子点产生的光子,又能让另一个砷化镓结构将光子高效发射到以低损驰名的氮化硅波导中。”

目前他们论文中的设备用到了良多个量子点。接下来的研究中,他们的目的是制作只有一个量子点的设备。Davanço弥补道:“这会让我们对我们架构可以到达的全同性(indistinguishability)程度有更好的懂得。”

原文链接【科学美国人博客】:

https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/optoelectronics/amixofnanomaterialsleadstoanewquantumphotoniccircuitarchitecture

转载来源:环球科学

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