布里斯托爾大學(xué)（University of Bristol）的研究人員在硅芯片上集成了世界上最小的量子光探測器，實現(xiàn)了量子技術(shù)規(guī)模化的重要突破。這篇題為 "A Bi-CMOS電子光子集成電路量子光探測器 "的論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

20 世紀(jì) 60 年代，科學(xué)家和工程師首次將晶體管微型化到廉價的微型芯片上，這是開啟信息時代的關(guān)鍵時刻。

現(xiàn)在，布里斯托爾大學(xué)的學(xué)者們首次展示了將比頭發(fā)絲還小的量子光探測器集成到硅芯片上，使我們離利用光的量子技術(shù)時代更近了一步。

大規(guī)模制造高性能電子器件和光子器件是實現(xiàn)下一代先進(jìn)信息技術(shù)的基礎(chǔ)。如何在現(xiàn)有的商業(yè)設(shè)施中制造量子技術(shù)，是世界各地的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)和公司正在開展的一項國際性工作。

圖片:university-of-bristol-1.jpg

硅ePIC量子芯片，安裝在印刷電路板上進(jìn)行測試，類似于個人計算機(jī)內(nèi)部的主板。

對于量子計算來說，能夠大規(guī)模制造高性能量子硬件至關(guān)重要，因為即使是制造一臺機(jī)器也需要大量的組件。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，布里斯托爾大學(xué)的研究人員展示了一種量子光探測器，它是在芯片上實現(xiàn)的，電路占地80微米乘220微米。

至關(guān)重要的是，小尺寸意味著量子光探測器的速度可以很快，這是開啟高速量子通信和實現(xiàn)光量子計算機(jī)高速運(yùn)行的關(guān)鍵。

使用成熟的、商業(yè)上可獲得的制造技術(shù)，有助于早日將其應(yīng)用到傳感和通信等其他技術(shù)中。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的量子工程技術(shù)實驗室主任Jonathan Matthews教授解釋說：“這類探測器被稱為同調(diào)探測器，在量子光學(xué)的應(yīng)用中隨處可見。它們在室溫下工作，你可以將它們用于量子通信，用于靈敏度極高的傳感器，比如最先進(jìn)的引力波探測器，還有一些量子計算機(jī)的設(shè)計也會用到這些探測器”。

2021 年，布里斯托爾團(tuán)隊展示了如何將光子芯片與獨立的電子芯片連接起來，從而提高量子光探測器的速度，現(xiàn)在該團(tuán)隊利用單個電子-光子集成芯片，進(jìn)一步將速度提高了 10 倍，同時將占地面積減少了 50 倍。

這些探測器不僅速度快、體積小，而且靈敏度高。

作者 Giacomo Ferranti 博士解釋說：“測量量子光的關(guān)鍵在于對量子噪聲的靈敏度，量子力學(xué)在所有光學(xué)系統(tǒng)中都產(chǎn)生了微小而基本的噪聲。這種噪聲的行為揭示了在系統(tǒng)中傳播的量子光的類型，它可以決定光學(xué)傳感器的靈敏度，并可用來在數(shù)學(xué)上重建量子態(tài)。在我們的研究中，重要的是要證明將探測器做得更小更快并不會阻礙其測量量子態(tài)的靈敏度”。

作者指出，在將其他顛覆性的量子技術(shù)硬件集成到芯片級方面，還有更多令人興奮的研究要做。有了新的探測器，效率還需要提高，而且還需要在許多不同的應(yīng)用中試用該探測器。

Matthews教授補(bǔ)充說：“我們與一家商業(yè)化的代工廠合作建造了這個探測器，目的是讓它的應(yīng)用更加普及。雖然我們對量子技術(shù)的影響感到無比興奮，但作為一個團(tuán)體，我們必須繼續(xù)應(yīng)對量子技術(shù)可擴(kuò)展制造的挑戰(zhàn)。如果不能展示量子硬件的真正可擴(kuò)展制造，量子技術(shù)的影響和益處將被推遲和限制”。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adk6890