一種世界首創(chuàng)的使用光子--光粒子--實現(xiàn)量子光學(xué)電路的方法，預(yù)示著安全通信和量子計算的新未來。現(xiàn)代世界是由 "芯片"上的電子電路驅(qū)動的，也就是我們常見的計算機(jī)、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和其他應(yīng)用中的基礎(chǔ)半導(dǎo)體芯片。在2025年，人類預(yù)計將創(chuàng)造175ZettaBytes（175萬億GB）的新數(shù)據(jù)。

在如此大的數(shù)據(jù)量下，我們?nèi)绾未_保敏感數(shù)據(jù)的安全？我們又如何利用這些數(shù)據(jù)來解決從隱私、安全到氣候變化等類似大挑戰(zhàn)的問題？尤其是考慮到當(dāng)前計算機(jī)的能力有限的情況下。

一個很有希望的選擇是新興的量子通信和計算技術(shù)。然而，要做到這一點，就需要廣泛開發(fā)強(qiáng)大的新型量子光學(xué)電路；這種電路能夠安全地處理我們每天產(chǎn)生的大量信息。南加州大學(xué)莫克家族化學(xué)工程和材料科學(xué)系的研究人員已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，幫助實現(xiàn)了這項技術(shù)。

傳統(tǒng)的電路是電荷中的電子沿著一條路徑流動，而量子光路則使用光源，按需、逐次產(chǎn)生單個光粒子或光子，作為信息攜帶位（量子位或qubits）。這些光源是納米大小的半導(dǎo)體 "量子點"--由數(shù)萬到一百萬個原子組成的微小的制造集合，其線性尺寸小于典型人類頭發(fā)厚度的千分之一，埋在另一種合適的半導(dǎo)體矩陣中。

迄今為止，它們已被證明是最通用的按需單光子發(fā)生器。光路要求這些單光子源以規(guī)則的模式排列在半導(dǎo)體芯片上。然后，來自光源的波長幾乎相同的光子必須以引導(dǎo)的方向釋放。這樣就可以操縱它們與其他光子和粒子形成相互作用來傳輸和處理信息。

直到現(xiàn)在，這類電路的開發(fā)還存在著很大的障礙。例如，在目前的制造技術(shù)中，量子點具有不同的尺寸和形狀，并以隨機(jī)的位置組裝在芯片上。事實上，這些點具有不同的尺寸和形狀，意味著它們釋放的光子沒有統(tǒng)一的波長。這一點和位置順序的缺乏使它們不適合用于開發(fā)光電路。

在最近發(fā)表的工作中，美國南加州大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，單光子可以非常精確地排列，量子點以均勻的方式發(fā)射出來。需要指出的是，排列量子點的方法是由首席PI阿努帕姆-馬杜卡教授和他的團(tuán)隊在近三十年前首先在南加州大學(xué)開發(fā)出來的，這遠(yuǎn)早于目前量子信息的爆炸性研究活動和對片上單光子源的興趣。在這項最新的工作中，南加州大學(xué)團(tuán)隊利用這種方法創(chuàng)造了單量子點，其單光子發(fā)射特性非常顯著。預(yù)計，能夠精確地排列均勻發(fā)射的量子點，將使光電路的生產(chǎn)成為可能，有可能帶來量子計算和通信技術(shù)的新進(jìn)展。

這項研究進(jìn)展發(fā)表在《APL Photonics》上的工作由現(xiàn)任莫克家族化學(xué)工程和材料科學(xué)系研究助理教授的Jiefei Zhang領(lǐng)導(dǎo)，通訊作者是Kenneth T. Norris工程學(xué)教授和化學(xué)工程、電氣工程、材料科學(xué)和物理學(xué)教授Anupam Madhukar。

量子點必須以精確的方式進(jìn)行排序，以便可以操縱任何兩個或多個點釋放的光子在芯片上相互連接。這將構(gòu)成量子光路的構(gòu)建單元的基礎(chǔ)。這項工作還創(chuàng)造了有序可擴(kuò)展的量子點的新的世界紀(jì)錄，在單光子發(fā)射的同時純度大于99.5%，在發(fā)射光子的波長均勻性方面，可以窄至1.8nm，比典型的量子點提高了20到40倍。有了這種均勻性，應(yīng)用局部加熱或電場等既有方法對量子點的光子波長進(jìn)行微調(diào)，使其完全匹配，這對于在不同量子點之間創(chuàng)建電路所需的互連變得可行。

這意味著，研究人員首次可以利用成熟的半導(dǎo)體處理技術(shù)制造出可擴(kuò)展的量子光子芯片。此外，該團(tuán)隊現(xiàn)在的工作重點是建立來自相同和/或不同量子點的發(fā)射光子的相同程度。不可分辨性的程度是干擾和糾纏的量子效應(yīng)的核心，是量子信息處理--通信、傳感、成像或計算的基礎(chǔ)。

AFOSR光電和光子學(xué)項目官員Gernot S. Pomrenke表示，可靠的片上按需單光子源陣列是向前邁出的一大步。