量子点光子学:光学计算的新领域

为了追求更快、更高效的计算，研究人员已经超越了传统的硅芯片。光计算具有超越硅计算机的潜力，但在实际集成、紧凑组件开发和信号相干性方面面临挑战。量子点光子学为克服这些挑战提供了一条有希望的途径，表明高性能光学计算机的实现即将到来。

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光学计算的魅力

传统的计算机使用电子来表示和处理二进制数据，但随着晶体管尺寸的缩小，电子在速度、发热和互连瓶颈方面遇到了限制。这激发了人们用光子代替电子进行计算的兴趣。光子或光粒子在半导体中作为信息载体比电子具有明显的优势。它们的运动速度几乎是电子的10万倍，由于缺乏质量或电荷，它们不会相互作用。这一特性使得光子器件可以使用集中的光束，这些光束可以在不改变的情况下相互穿过，消除瓶颈，促进信息在非常高的带宽下流动。光子系统比具有同等计算速率的电子系统消耗的能量少得多。这是由于没有材料内部相互作用的阻力损失。

这些优点表明，光学计算机在性能上可以超越电子产品，特别是在速度、带宽和功率效率至关重要的时候。这种转变可能会影响各种应用，包括数据中心、人工智能、5G网络等。尽管有这些承诺，构建实用的光学计算系统已被证明具有挑战性。使用传统的光学元件无法达到操纵微观光束的复杂逻辑运算所需的精度。然而，最近量子点光子学的重大进展提供了新的乐观情绪。

为什么量子点用于光学计算?

量子点是纳米级半导体粒子，由于其纳米尺寸而具有独特的量子力学性质。与传统材料不同，量子点的行为受到量子效应的严重影响，如约束和量子化能级，使其适合于光子学中的各种应用。

这些微小的结构，通常由硒化镉或砷化铟组成，可以操纵以具有特定的电子和光学特性。它们的光致发光发射可以通过在合成过程中调整它们的大小来控制:较小的点发出蓝移光，而较大的点发出红移光。这种带隙和离散能级的通用性使得量子点作为可编程光源具有很高的适应性。

相关故事什么是光子量子传感?ntt:面向容错大规模通用光学量子计算机的模块化量子光源的实现量子点还具有高量子产率和大吸收截面，能够稳定高效地产生光子。它们还可以通过双激子衰变产生纠缠光子对，这对计算和通信是有用的。

胶体合成和配体工程的进步使得对量子点尺寸分布、配体封盖和表面缺陷的精确控制成为可能。这极大地改善了它们的光物理性质。现在有可能生产出具有接近统一荧光量子产率和超低闪烁的量子点。这些高质量量子点可以通过自旋涂层、自组装和纳米操作集成到固态、光学和电光器件中。

这些有用的特性使量子点成为创新光学计算系统的推动者。最新研究进展

基于量子点的可扩展量子光子电路在《APL Photonics》上发表的一项研究中，南加州大学(USC)的研究人员在推进量子光学计算和通信技术方面取得了重大进展。

目前传统计算机对电路的依赖引发了人们对2025年预计将达到175zb的海量数据安全性的担忧。产生单个光子的量子光学电路提供了一个很有前途的替代方案。研究人员利用纳米级半导体量子点作为信息处理的单光子发生器设计了量子光学电路。

该团队通过展示半导体芯片上量子点的精确排列，确保单光子的均匀发射，解决了开发这些电路的关键挑战。这一突破为芯片级量子光子电路的制造开辟了道路，在安全通信、传感、成像、量子、计算和模拟方面提供了潜在的应用。

这项研究标志着量子技术的重大进步，对数据中心、医疗诊断和国防技术具有潜在的影响。它还介绍了一种有序和可扩展的方法来生成不可区分的单光子，用于各种量子信息应用。基于量子点的光学计算集成纳米光子平台

在最近发表在《科学进展》上的一项研究中，研究人员开发了一种集成光子平台，使用薄膜铌酸锂，将量子点作为纳米光子波导中的确定性固态单光子源。量子点作为确定性的单光子源，允许对单个光子的发射进行精确控制。纳米光子波导内的集成提高了光子携带的量子信息的引导和处理效率，这是光学计算的关键方面。

研究小组在芯片上进行了Hong-Ou-Mandel实验，研究了多光子量子干涉的可见性，并演示了在低损耗电路中高速处理光子。

这突出了集成量子点在光学计算中可扩展量子技术的多功能性和潜力，包括片上量子干涉实验、快速光子路由器和通用四模干涉仪。

量子点光子学正在改变光学计算的格局。量子点的可调特性为光的产生和操作提供了无与伦比的控制，有望实现更快、更高效和更紧凑的计算系统。虽然从原型到量产的过渡带来了巨大的挑战，但量子点光子学的持续投资和合作努力表明，向光学计算的革命性转变即将到来。

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参考文献及深入阅读

奥布莱恩，J. L.(2007)。光量子计算。科学。doi.org/10.1126/science.1142892

Kostanian, E.(2022)。如何在光学量子计算机上进行计算?(在线)。Quandela。网址:https://medium.com/quandela/how-to-do-computations-on-an-optical-quantum-computer-a0c579bebeb0

Sund, P. I., et al. (2023). High-speed thin-film lithium niobate quantum processor driven by a solid-state quantum emitter. Science Advances. doi.org/10.1126/sciadv.adg7268

张杰，黄强，Jordao, L.， Chattaraj, S.， Lu, S.， Madhukar, A.(2020)。光谱均匀的单量子点平面空间规则阵列作为量子光学电路的片上单光子源。APL光子学。doi.org/10.1063/5.0018422

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