美国麻省理工学院推出芯片上单光子探测器阵列用于量子计算

美国麻省理工学院推出芯片上单光子探测器阵列用于量子计算
2015-01-27
国外国防科技文献资料快报
[据激光聚焦世界网站2015年1月10日报道]  美国麻省理工学院研究人员已经建造了芯片上光探测器阵列，其灵敏度足以记录单个光子的到来。这种阵列是使用光子进行量子计算的关键器件。但是单光子探测器性能极不稳定，使用标准制造技术在芯片沉积100个探测器，只有极少数能坚持工作。在《自然通信》发表的一篇论文中，该研究团队描述了一个制造、测试探测器的步骤，测试后将能工作的探测器转移到采用标准工艺制造的光学芯片上。
除了可产生更密集和更大阵列，该方法也增加了探测灵敏度。实验表明新研制的探测器与以前探测器相比较，记录到达单个光子的灵敏度提高100倍。对于大多数粒子，纠缠难以维持，但光子纠缠相对容易。因此，光学系统进行量子计算是一种很有前途的方法。但是任何量子计算机，无论其量子比特是激光捕获离子还是嵌入金刚石的氮原子，仍然可从使用纠缠光子移动量子信息受益。
麻省理工学院电气工程和计算机科学Jamieson职业培训助理教授和论文通信作者Dirk Englund说：“最终想用几十或几百个光子量子比特制备光学处理器，采用传统光学元件制备将很笨拙。它不仅笨重，而且是不可能，因为如果试图在一个大的光学平台建造处理器，仅仅是平台的随机运动就会导致光学态噪声。所以必须努力将光电路微型化到光子集成电路上。”
该项目是英格伦集团（Englund's group）与量子纳米结构和纳米制造集团之间的协作，电气工程与计算机科学副教授Karl Berggren是牵头人。MIT的研究人员也在IBM和美国NASA喷气推进实验室参与研究。研究进程从使用传统制造技术制备硅基光芯片开始。在一个单独硅芯片上生长氮化硅柔性薄膜，在薄膜上以利于光子探测模式沉积超导氮化铌，最后在探测器样品两端沉积金电极。
在氮化硅膜的一端，附着一小滴聚二甲硅氧烷硅胶。然后按压一个钨探针，用来测量实验芯片与硅胶之间的电压。英格伦研究人员说，“这几乎就像橡皮泥。你把它放下，它伸展开形成大的表面接触面积，当你迅速拿起时，它将维持那个较大表面积。然后手放松，硅胶缩回到一个点。”
研究人员利用钨探针把薄膜从基板上剥离，再贴到光学芯片上。在以往的阵列探测器中，探测器只能记录到达单光子数的0.2%。单独沉积的芯片上探测器历史最高极限约2%。但此新芯片探测器高达20%。这距离实用量子电路所需90%或更多还有很长的路，但它是朝正确方向迈出的一大步。（工业和信息化部电子科学技术情报研究所  黄庆红）