激光网3月30日消息，一种由半导体环组成的新设备产生成对的纠缠光子，可用于光子量子处理器。
量子光源产生纠缠的光子对，可用于量子计算和密码学。一项新的实验证明了一种由半导体氮化镓制成的量子光源。这种材料为器件制造提供了一个多功能平台，以前曾用于片上激光器、探测器和波导。结合这些其他光学元件，新的量子光源开辟了在单个芯片上构建复杂量子电路的潜力。
量子光学是一个快速发展的领域，许多实验使用光子来携带量子信息并进行量子计算。然而，为了使光学系统与其他量子信息技术竞争，量子光学器件需要从桌面尺寸缩小到微芯片尺寸。这一转变的一个重要步骤是在半导体芯片上开发量子光生成。几个研究团队使用砷化铝镓、磷化铟和碳化硅等材料完成了这一壮举。然而，除了量子光源之外，完全集成的光子电路还需要一系列组件。
为了最终建立这样一个完整的电路，中国电子科技大学的周强及其同事将目光投向了氮化镓。这种材料因其在第一批蓝色LED中的应用而闻名，这一发展得到了2014年诺贝尔物理学奖的认可。最近的研究表明，在蓝宝石上生长的氮化镓可用于许多量子光学功能，例如激光、光学滤波和单光子检测。“氮化镓平台为在不久的将来推进光子量子芯片提供了广阔的前景，”周说。
为了制造氮化镓量子光源，周及其同事在蓝宝石衬底上生长了一层材料薄膜，然后在薄膜中蚀刻了一个直径为120μm的环。在这种结构中，光子可以绕环传播，类似于声波在耳语画廊的弯曲壁上传播的方式。在环旁边，研究人员蚀刻了一个用于传输红外激光的波导。两个光学元件之间的耦合允许一些激光光子从波导进入环。
在实验中，探测器记录了波导输出光的光谱，揭示了多个波长的离散下降。这些下降对应于环中的共振 - 当特定光子的波长在环的圆周内适合整数次时。波导中的共振光子可以进入环并被困在里面。
然而，由于一种称为四波混合的效应，进入环的谐振光子对有时会湮灭，导致一对新的共振光子产生并通过波导离开。预计每个出口对中的两个光子将相互纠缠。为了验证这种纠缠，研究小组对重合的光子进行了测量，表明它们在成像时会产生干涉图案 - 明暗条纹。相比之下，非纠缠对会产生一个宽阔的亮点。
干涉水平是光子纠缠程度的量度。氮化镓环产生的纠缠程度与其他量子光源测量的水平相当，周说。“我们证明氮化镓是光子量子信息的良好量子材料平台，其中量子光的产生至关重要，”他说。
“近年来，量子光学以惊人的速度发展，”德国达姆施塔特工业大学的量子光学专家Thomas Walther说。他说，向前迈进将需要小型、坚固、高效且相对容易制造的组件。为此，周和他的同事们已经证明氮化镓是一种很有前途的材料，用于制造泵浦源、量子光源和单光子探测器。他说，为所有这些设备提供一个平台“将是向前迈出的重要一步，因为这可以降低制造此类系统的成本，并使它们比现在更加紧凑和坚固。
