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来自美国国家标准语技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种新型量子光子电路芯片底层架构，该芯片利用光的量子特性实现信息的处理和传递。 研究团队开发了一种由低损耗波导和单光子源组成的器件，所有这些器件都集成在一个芯片上，该量子电路架构可能会对光子量子计算、模拟、计量和通信产生影响。 对设备的操作包括产生单光子流，将单光子流发射到波导网络和分束器中，并在其中相互作用，最后在网络输出端检测这些光子流。 此前，研究人员已经设计出了多种类型的系统用来实现量子模拟、计算和通信，这些系统依赖于大量相干光子在波导和分束器之中的干涉而实现。 在这些系统中，光子被注入并将随机移动、相互干扰，最后，他们会出现在网络的输出端口，每个光子在端口的概率是由量子力学决定的。由于这个过程固有的随机性，实验必须进行很多次，以便高可信地确定概率。 有三种可能的结果：光子可能在波导中溢出；光子可能在传输到波导的过程中溢出；如果光子源只能以低速率产生光子，实验需要运行更长时间，特别是对于非常大的网络，这可能意味着实验时间会很长。 NIST开发的芯片架构针对以上三个问题提供了解决方案，使它们能够更高效地运行，并支持更大规模的系统。为了解决波导中的光子损失，NIST的研究人员使用由氮化硅制成的低损耗波导；为了解决从光源到波导发射的光子丢失的问题，NIST的研究人员将光源直接放在芯片上，并创建了一个几何图形，以便高效地将其直接发射到氮化硅波导中；为了克服光子产生率低的第三个问题，NIST团队制作了一种基于量子点的单光子源，该量子点已被证明可以按需求、高速率产生相干单光子（尽管在低温下）。 NIST的研究人员Marcelo Davanço表示：“这一切都是基于成熟的集成光子制造技术而研发的，此前这种技术已经用于非量子应用，并且具有可扩展性，这意味着它们可以大规模生产具有大量单个元件的电路。” 据Davanço介绍，这种器件架构和以前的架构之间的主要区别在于光子源是片上的，而在绝大多数其他架构中，光子是在片外产生的，然后被注入到片上波导网络中。 Davanço还认为，他们的架构比其他包含片上单光子源的架构具有优势。“主要原因是我们使用了两种性能卓越的材料，我们找到了一种方法将它们结合在一个芯片上，使得它们的个性（和互补性）不会受到损害。 量子点性能优越的一个重要原因是它们被封装在半导体材料砷化镓（GaAs）的深处。砷化镓具有高折射率，能够产生能够有效地捕获由嵌入的量子点产生的光子的几何形状。 虽然砷化镓在提高量子点方面具有优势，但它并不是制造低损耗波导的好材料。如果一个光子由GaAs中的量子点产生，然后被发射到GaAs波导中，这个光子很快就会被散射出波导，或者在材料传播时被其吸收。 Davanço解释说：“我们解决这个问题的办法是制作一个GaAs结构，既可以有效地捕获由嵌入的量子点发射的光子，又可以高效率将它们发射到由不同材料（氮化硅）制成的波导中，以提供尽可能低的光子损失。” 在进一步的研究中，他们的目标是制造具有单个量子点的器件。
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