現代世界是由“晶片”上的電路驅動的——半導體晶片支撐著計算機、手機、網際網路和其他應用程式。到2025年，人類預計將創造175千兆位元組(175萬億千兆位元組)的新資料。在如此大的容量下，我們如何確保敏感資料的安全性?我們如何利用這些資料來解決諸如隱私、安全、氣候變化等重大挑戰，尤其是考慮到當前計算機的能力有限?

一個有希望的替代方案是新興的量子通訊和計算技術。然而，要實現這一點，就需要廣泛開發強大的新型量子光學電路;這些電路能夠安全地處理我們每天產生的大量資訊。南加州大學莫克家族化學工程和材料科學系的研究人員已經取得了突破性進展，幫助實現了這項技術。

傳統電路是電子從電荷流中流過的路徑，而量子光學電路使用光源產生單獨的光粒子或光子，按需一次一個，充當攜帶位元(量子位元或量子位)的資訊。這些光源是奈米大小的半導體“量子點”——由數萬到100萬個原子組成的微小人造集合，其體積線性大小不到人類頭髮厚度的千分之一，並被埋在另一種合適的半導體基質中。

迄今為止，它們已被證明是最多功能的按需單光子發生器。光電路要求這些單光子源按規則的模式排列在半導體晶片上。從兩個源產生的幾乎相同波長的光子必須被引導釋放。這使得它們可以被操縱，形成與其他光子和粒子的相互作用，從而傳輸和處理資訊。

到目前為止，這種電路的開發還存在一個重大障礙。例如，在目前的製造技術中，量子點有不同的尺寸和形狀，並在晶片的隨機位置組裝。這些圓點的大小和形狀各不相同，這意味著它們釋放的光子波長並不一致。這一點和位置順序的缺乏使它們不適合用於光學電路的開發。

在最近發表的一項研究中，南加州大學的研究人員已經證明，單光子確實可以從精確排列的量子點上以均勻的方式發射出來。值得注意的是，校準量子點的方法最早是由南加州大學PI負責人Anupam Madhukar教授和他的團隊在近30年前開發的，遠遠早於目前在量子資訊領域的研究活動和對片上單光子源的興趣。在這項最新的工作中，USC團隊使用這種方法建立了單量子點，它們具有顯著的單光子發射特性。人們預計，精確排列均勻發射量子點的能力將使光電路的生產成為可能，可能導致量子計算和通訊技術的新進展。

該研究成果發表在《APL Photonics》雜誌上，由張潔飛領導，目前是莫克家族化學工程和材料科學系的研究助理教授，通訊作者Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris工程教授和化學工程、電子工程、材料科學和物理學教授。

張說:“這一突破為下一步從實驗室演示單光子物理到晶片級量子光子電路的製造鋪平了道路。”“這在量子(安全)通訊、成像、感測以及量子模擬和計算方面有潛在的應用。”

Madhukar說，對量子點進行精確排序至關重要，這樣，從任何兩個或更多量子點釋放出來的光子就可以被操縱，從而在晶片上相互連線。這將構成量子光學電路的構建單元的基礎。

“目前允許我們線上交流的技術，例如使用Zoom等技術平臺，是基於整合電子晶片的。如果晶片上的電晶體沒有被放置在精確設計的位置，就不會有積體電路，”Madhukar說。“對於像量子點這樣的光子源來說，創造量子光學電路也是同樣的要求。”

該研究得到了美國空軍科學研究辦公室(AFOSR)和美國陸軍研究辦公室(ARO)的支援。

“這進步是一個重要的例子解決基本材料科學挑戰,比如如何建立量子點的精確位置和組合,可以有大下游影響量子計算等技術,”埃文Runnerstrom說,專案經理,陸軍研究辦公室,美國陸軍作戰能力發展的一個元素命令陸軍研究實驗室。“這表明阿羅在基礎研究方面的有針對性的投資是如何支援軍隊在網路等領域的持久現代化努力的。”

為了為電路創造精確的量子點佈局，該團隊使用了一種名為sre(基材編碼尺寸縮小外延)的方法，該方法是Madhukar小組在20世紀90年代早期開發的。在目前的工作中，該團隊在由砷化鎵(GaAs)組成的平面半導體襯底上製造了具有確定邊緣取向、形狀(側壁)和深度的奈米尺寸檯面規則陣列。然後使用以下技術新增適當的原子，在臺地上建立量子點。

首先，入射的鎵(Ga)原子被表面能量力吸引，聚集在奈米尺度臺地的頂部，在那裡沉積GaAs。然後，進入的通量被轉換到銦(In)原子，進而沉積砷化銦(InAs)，然後再返回鎵原子，形成砷化鎵，從而創造出所需的單個量子點，最終釋放出單個光子。為了便於製造光學電路，金字塔形狀的奈米檯面之間的空間需要被平坦表面的材料填滿。最後一個晶片，其中不透明的砷化鎵被描述為一個半透明的覆蓋層，量子點位於其下面。

“這項工作還設定了一個新的世界紀錄的有序和可伸縮的量子點單光子發射的同時純度大於99.5%,和發射的光子的波長的一致性,可以儘可能窄1.8海里,這是20至40倍比典型的量子點,”張說。

張說，有了這種均勻性，就可以應用現有的方法，如區域性加熱或電場，微調量子點的光子波長，使其精確匹配，這對於為電路建立不同量子點之間所需的互連是必要的。

這意味著，研究人員首次可以利用成熟的半導體處理技術製造出可擴充套件的量子光子晶片。此外，該團隊目前的工作重點是確定從相同和/或不同量子點發射的光子有多相同。不可分辨的程度是干擾和糾纏的量子效應的核心，這是量子資訊處理的基礎——通訊、感測、成像或計算。

張總結說:“我們現在有了一種方法和材料平臺，為量子資訊應用提供可擴充套件和有序的源，產生潛在的不可區分的單光子。這種方法是通用的，可以用於其他合適的材料組合，以創建出適合不同應用的廣泛波長範圍的量子點，例如基於光纖的光通訊或中紅外模式，適合環境監測和醫療診斷。”

AFOSR專案官員Gernot S. Pomrenke，光電子與光子學說，可靠的按需單光子源晶片陣列是向前邁出的一大步。

“在量子資訊的研究活動成為主流之前，這種令人印象深刻的增長和材料科學工作延伸了30年的奉獻努力，”Pomrenke說。“最初的AFOSR資金和來自其他國防部機構的資源對實現Madhukar、他的學生和合作者的富有挑戰性的工作和願景至關重要。這項工作很有可能徹底改變資料中心、醫療診斷、國防和相關技術的能力。”