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加州大学圣巴巴拉分校Galan Moody实验室开发出一种片上生成单光子的新方法
Kamyar Parto（左）在加州大学圣巴巴拉分校Galan Moody量子光子学实验室，与他去年夏天指导的高中生Arjun Choudhri一起工作。
随着对量子未来的讨论越来越热烈，各地的研究人员都在加班加点地工作，以发现如何最好地解密量子叠加、纠缠、隧道或其他准备就绪的量子粒子的承诺，其同时出现两种状态的能力可以大大扩展许多应用的功率和效率。
然而，从发展的角度来看，今天的量子器件 "与计算机在20世纪50年代的情况差不多"，也就是最开始的时候。这是加州大学圣巴巴拉分校Galan Moody实验室的六年级博士生Kamyar Parto说的，他是量子光子学专家，也是电子和计算机工程的助理教授。Parto是《Nano Letters》杂志上发表的一篇论文的共同主要作者，该文描述了一个关键的进展：开发一种片上 "工厂"，用于生产稳定、快速的单光子流，这对实现基于光子的量子技术至关重要。
Parto解释说，在计算机发展的早期阶段，"研究人员刚刚制造出晶体管，他们有关于如何制造数字开关的想法，但这个平台有点弱。不同的小组开发了不同的平台，最终，每个人都聚集在CMOS（互补金属氧化物半导体）上。然后，我们迎来了围绕半导体的巨大爆炸"。他继续说："量子技术处于一个类似的位置--我们有想法，也知道我们能用它做什么，有许多竞争平台，但还没有明确的赢家。你有超导量子比特，硅的自旋量子比特，静电自旋量子比特和基于离子阱的量子计算机。微软正在尝试做拓扑保护的量子比特，而在Galan Moody量子光子学实验室，我们正在研究量子光子学。"
Galan Moody，：
图片来源：加州大学圣巴巴拉分校Galan Moody实验室
Parto预测，获胜的平台将是不同平台的组合，因为每个平台都很强大，但也有局限性。"例如，使用量子光子学传输信息非常容易，因为光喜欢移动"，他说，"然而，自旋量子比特使存储信息更容易，并在上面做一些局部'东西'，但你不能移动这些数据。因此，我们为什么不尝试使用光子学将数据从更好地存储它的平台上转移出来，一旦它在那里，再将它转化为另一种格式呢？"
量子比特(Qubits)，那些行为怪异的量子技术的驱动力，当然与经典比特不同，后者只能以零或一的单一状态存在。而Qubits可以同时为一和零。帕尔托说，在光子学领域，一个光子既可以存在（状态一）也可以不存在（状态零）。
这是因为单个光子构成了所谓的两级系统，这意味着它可以在零状态、一状态或任何组合中存在，如50%的一和50%的零，或者可能80%的一和20%的零。这可以在Moody实验室中常规进行。挑战在于如何以非常高的效率产生和收集单光子，例如通过使用波导在芯片上路由它们。波导的作用正如其名称所示，将光引导到它需要去的地方，就像电线引导电力一样。
Parto解释说, "如果我们把这些单一的光子放到许多不同的波导中 (每个波导上有一千个单一的光子) 并且我们对光子如何沿着芯片上的波导进行编排，我们就可以进行量子计算。"
虽然使用波导在芯片上引导光子是相对简单的，但隔离单个光子并不容易，而建立一个能快速有效地产生数十亿个光子的系统则难得多。这篇新论文描述了一种技术，它采用了一种奇特的现象来产生单一的光子，其效率比以前取得的要高得多。
"这项工作是关于放大这些单光子的产生，以便它们对实际应用变得有用"，Parto说。"这篇论文中描述的突破是，我们现在可以在室温下，以一种适合（CMOS的大规模生产过程）的方式可靠地产生单光子。"
产生单光子的方法有很多，但Parto和他的同事是通过利用某些二维（2D）半导体材料的缺陷来实现的，这些材料只有一个原子的厚度，基本上是去除一点材料来创造一个缺陷。
Parto说："如果你将光（由激光产生的）照射到正确的缺陷上，材料将通过发射单光子作出反应"。他补充说，"材料中的缺陷充当了所谓的限速状态，这使它能够像一个工厂一样，一次推出一个光子"。 一个光子的产生频率可能是每三到五纳秒一次，但是研究人员还不确定这个速度，而帕尔托，在工程设计这种缺陷的主题上获得了他的博士学位，说目前的速度可能要慢得多。
二维材料的一大优势是，它们可以在特定的位置设计出缺陷。此外，Parto说："这些材料非常薄，你可以把它们拿起来放在任何其他材料上，而不会受到三维晶体材料的晶格几何的限制。这使得二维材料非常容易集成，我们在本文中展示了这种能力。“
为了制造一个有用的器件，二维材料上的缺陷必须以极高的精度放置在波导上。"材料上有一个点，从缺陷中产生光"，Parto指出，"我们需要把这个单一的光子弄到波导中。"
研究人员试图以几种方式做到这一点，例如，将材料放在波导上，然后寻找现有的单一缺陷，但即使缺陷被精确地排列并处于完全正确的位置，提取效率也将只有20%至30%。这是因为单个缺陷只能以一种特定的速度发射，而且有些光是以斜角发射的，而不是直接沿着通往波导的路径发射。该设计的理论上限只有40%，但为量子信息应用制造一个有用的器件，需要99.99%的提取效率。
"来自缺陷的光本来就会到处照耀，但我们更希望它能照进这些波导"，Parto解释说，"我们有两个选择。如果你把波导放在缺陷的顶部，也许百分之十到十五的光会进入波导。那是不够的。但是有一个物理现象，叫做珀塞尔效应，我们可以利用它来提高这个效率，把更多的光引导到波导中。你可以通过将缺陷放置在一个光腔内来做到这一点，在我们的案例中，它是一个微环谐振器的形状，这是唯一一个允许你将光引入和退出波导的腔体。
"如果腔体足够小"，他补充说，"它将挤压出电磁场的真空波动，而这些波动就是导致光子从缺陷处自发发射成光的模式的原因。通过将这种量子波动挤压到一个有限体积的空腔中，缺陷上方的波动就会增加，导致它优先向环内发射光，在那里它加速并变得更亮，从而提高提取效率。”
在为这篇论文所做的使用微环谐振器的实验中，该团队实现了46%的提取效率，这比之前的报告增加了一个数量级。
Moody说："我们真的被这些结果所鼓舞，因为二维材料中的单光子发射器解决了其他材料在可扩展性和可制造性方面所面临的一些突出挑战。在近期，我们将探索将它们用于量子通信的一些不同应用，但从长远来看，我们的目标是继续开发这个用于量子计算和网络的平台。"
要做到这一点，该小组需要将其效率提高到优于99%，而实现这一目标将需要更高质量的氮化物谐振器环。"为了提高效率，你需要在从氮化硅薄膜中刻出环时将其磨平"，Parto解释说。"然而，如果材料本身不是完全结晶的，即使你试图在原子水平上使其光滑，表面仍可能看起来很粗糙，像海绵一样，导致光从它们身上散射。"
虽然有些小组通过从能完美生长的公司购买氮化物来实现最高质量的氮化物，但Parto解释说："我们必须自己生长，因为我们必须把缺陷放在材料下面，而且，我们使用的是一种特殊类型的氮化硅，它能使单光子应用的背景光最小化，而那些公司并不这样做。"
Parto可以在加州大学旧金山分校洁净室的等离子体增强化学气相沉积炉中生长他的氮化物，但由于这是一个大量使用的共享设施，他无法定制一些设置，使他能够生长出足够质量的材料。他说，计划是利用这些结果来申请新的资助，这将使 "获得我们自己的工具并雇用学生来做这项工作 "成为可能。
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