電子發(fā)燒友綜合報(bào)道 中國(guó)科學(xué)院2月18日宣布，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在集成光量子芯片領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院表示，該研究采用“搭積木”式混合集成策略，將III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)光源與CMOS工藝兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片異質(zhì)集成，構(gòu)建出新型混合微環(huán)諧振腔。這一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單光子源的片上局域能量動(dòng)態(tài)調(diào)諧，并通過微腔的Purcell效應(yīng)提升了光子發(fā)射效率，為光量子芯片的大規(guī)模集成提供了全新解決方案。

該項(xiàng)研究成果已經(jīng)同步發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）期刊上，我們通過論文來(lái)分析一下該項(xiàng)研究的具體細(xì)節(jié)。

在量子通信、量子計(jì)算等場(chǎng)景里，信息是通過一個(gè)個(gè)光子來(lái)進(jìn)行傳播的，而光子就是光的最小單位。但在利用光子進(jìn)行信息傳播的過程中，實(shí)際操作會(huì)遇到一些問題，比如我們生活中常見的LED燈會(huì)一次發(fā)出幾十億光子，而你無(wú)法控制LED燈發(fā)出光子的數(shù)量。但量子技術(shù)需要嚴(yán)格控制光子，一次只發(fā)射出一個(gè)光子。

另外是效率問題，如果造出了一次只能發(fā)射一個(gè)光子的光源，但也有可能因?yàn)榘l(fā)光效率太低，光子無(wú)法發(fā)射出芯片外，這同樣無(wú)法使用。傳統(tǒng)硅基材料，比如SiN、Si等，缺乏直接帶隙和電光效應(yīng)，難以集成高效單光子源（SPSs）等主動(dòng)器件。

而碳化硅，尤其是4H-SiC具有高折射率、低損耗、CMOS兼容性及寬透明窗口，是理想的光子集成平臺(tái)，但其自身缺乏高效量子發(fā)射材料。GaAs量子點(diǎn)作為固態(tài)量子發(fā)射體，可產(chǎn)生確定性單光子，但與其他光子平臺(tái)的集成存在挑戰(zhàn)。

具體來(lái)說(shuō)，4H-SiC和InGaAs量子點(diǎn)很難融合在一起，集成在同一芯片上。所以這項(xiàng)研究的重要?jiǎng)?chuàng)新，就是如何將這兩種材料集成在一起，并輸出高質(zhì)量的單光子。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種混合微環(huán)諧振（HMRR），通過轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)將含量子點(diǎn)的GaAs波導(dǎo)集成到SiC微環(huán)上，形成三維堆疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)耳語(yǔ)環(huán)模式（WGMs）的光限制與耦合。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是讓光在SiC微環(huán)上跑圈，形成會(huì)回聲室效應(yīng)，這樣能夠令光子產(chǎn)生Purcell效應(yīng)，加快光的速度。同時(shí)能夠讓光子集中在微環(huán)附近的波導(dǎo)里流出芯片，便于控制光子方向。

隨后，在HMRR旁集成TiN微加熱器，通過熱光效應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)諧量子點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)（調(diào)諧速率0.13 nm/mW），覆蓋一個(gè)自由光譜范圍（FSR≈4 nm），使量子點(diǎn)與腔模共振。這是為了量子點(diǎn)和微環(huán)頻率實(shí)現(xiàn)匹配。

在通過HMRR的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，量子點(diǎn)的發(fā)光速度快了5倍，原本量子點(diǎn)發(fā)一個(gè)光子要2.25納秒，和微環(huán)共振后縮短到0.5納秒；單光子的純度高達(dá)99.2%。同時(shí)HMRR還具備可擴(kuò)展性，多裝幾個(gè)微環(huán)和加熱器，就能獨(dú)立控制多個(gè)量子點(diǎn)，未來(lái)可組裝成芯片上的量子網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)下來(lái)，該項(xiàng)研究主要的突破在于，實(shí)現(xiàn)了基于SiC的高質(zhì)量無(wú)源器件與GaAs量子點(diǎn)的混合集成，無(wú)需復(fù)雜鍵合或電子束光刻。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)低損耗異質(zhì)波導(dǎo)耦合，促進(jìn)了全固態(tài)量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的芯片集成。

而這些突破，將為未來(lái)大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)算等技術(shù)奠定基礎(chǔ)。