在光通信以及使用光而不是電荷來存儲和傳輸信息的量子計算機的設計中，要做到以最小的損耗傳輸，并能操縱最小單位光，光子起著至關重要的作用。

現(xiàn)在，美國國家標準與技術研究院的研究人員已經(jīng)在單個微芯片上連接了量子點，用激光照射人造原子，快速按需產(chǎn)生單個光子，并且沒有明顯的強度損失。

為了創(chuàng)建超低損耗電路，研究人員制造了氮化硅波導并將其嵌入二氧化硅中。通道很寬但很淺，這種設計是為了避免光子從波導散射，將波導封裝在二氧化硅中也有助于減少散射。

科學家們說，比起使用量子點的類似電路，原型電路只有百分之一的密度損失，由其他團隊生產(chǎn)。最終，采用這種新芯片技術的設備可以利用量子力學的奇特性質，來執(zhí)行經(jīng)典電路無法執(zhí)行的復雜計算。

例如，根據(jù)量子力學定律，單個光子有可能同時在兩個不同的地方，比如在兩個不同的波導中。這種特性可用于存儲信息。單個光子可以充當量子比特，攜帶的信息比經(jīng)典計算機的二進制比特多得多，經(jīng)典計算機的比特只有0或1。

為了執(zhí)行必要的操作來解決計算問題，這些光子量子比特不僅要求波長相同，移動速度也要相同，必須同時到達電路中的某些處理節(jié)點。這帶來了挑戰(zhàn)，因為光子來自電路不同位置，并沿不同波導傳播，它們以與處理點明顯不同的距離延伸。為了實現(xiàn)同時到達，對于那些發(fā)射到離確定目的地更近的光子，必須延遲它們的旅程，給那些在更遠的波導中的光子提供時間。

該電路由NIST研究人員（包括Ashish Chanana和Marcelo Davanco）與國際同事團隊設計，時間實現(xiàn)了顯著延遲，因為它使用各種長度的波導，可以將光子存儲相對較長的時間。據(jù)研究人員計算，一個3米長的波導將以20納秒的延遲發(fā)射光子，這個概率是50%。而其他團隊開發(fā)的先前設備，在類似條件下運行時，實現(xiàn)概率僅為百分之一。

對于來自一個或多個量子點的光子必須在相同時間內到達某個位置的過程，新電路要實現(xiàn)更長的延遲時間也很重要。此外，低損耗量子點電路可以顯著增加單光子數(shù)量，這些光子可用于在芯片上攜帶量子信息，從而實現(xiàn)更大、更快、更可靠的計算和信息處理系統(tǒng)。

2022年12月，包括來自加州大學圣巴巴拉分校、麻省理工學院、韓國科學技術研究所和巴西圣保羅大學的研究人員在內的科學家報告了他們的發(fā)現(xiàn)。由兩個組件組成的混合電路，最初每個組件構建在單獨的芯片上，其中一個是在NIST設計和制造的砷化鎵半導體器件，它容納量子點并將其產(chǎn)生的單光子直接引導到第二個器件：UCSB開發(fā)的低損耗氮化硅波導。

為了結合這兩種組件，麻省理工學院的研究人員首先使用微探針的薄金屬尖端，其作用類似于微型撬棍，將砷化鎵器件從NIST制造的芯片中拉出。然后，他們將其放置在另一個芯片上的氮化硅電路頂部。

在混合電路大規(guī)模用于光子器件之前，研究人員面臨著幾個挑戰(zhàn)。目前，量子點產(chǎn)生的單個光子中，只有約6%可以引導到電路中。然而，模擬表明，如果改變光子指向的角度，同時改善量子點的位置和方向，該比例將會上升到80%以上。

另一個問題是，創(chuàng)建量子計算操作需要波長相同的光子，但量子點并不總是發(fā)射波長完全相同的單個光子。該團隊正在探索多種策略，包括恒定電場的應用。

編譯：卉可

編輯：慕一