研究人员在硅芯片上开发了世界上最小的量子光探测器
发布时间：2024-05-23 09:41:47 阅读数： 154
硅ePIC量子芯片，安装在印刷电路板上进行测试，类似于个人电脑内部的主板。出处:布里斯托尔大学
布里斯托尔大学的研究人员通过将世界上最小的量子光探测器集成到硅芯片上，在缩放量子技术方面取得了重要突破。论文“A Bi-CMOS电子光子集成电路量子光探测器”发表在《科学进展》杂志上。20世纪60年代，科学家和工程师首次将晶体管小型化到廉价的微芯片上，这是开启信息时代的关键时刻。现在，布里斯托尔大学的学者们第一次展示了将比人类头发丝还小的量子光探测器集成到硅芯片上，使我们离利用光的量子技术时代又近了一步。大规模制造高性能电子和光子学是实现下一代先进信息技术的基础。如何在现有的商业设施中制造量子技术是一项正在进行的国际努力，世界各地的大学研究和公司都在努力解决这个问题。对于量子计算来说，能够大规模制造高性能量子硬件是至关重要的，因为即使是一台机器也需要大量的组件。
为了实现这一目标，布里斯托尔大学的研究人员已经展示了一种量子光探测器，该探测器被实现在一个芯片上，其电路占地80微米× 220微米。重要的是，小尺寸意味着量子光探测器可以快速，这是解锁高速量子通信和光量子计算机高速运行的关键。
使用已建立的和商业上可获得的制造技术有助于早期将其纳入其他技术(如传感和通信)的前景。“这些类型的探测器被称为同差探测器，它们在量子光学的应用中无处不在，”领导这项研究的量子工程技术实验室主任乔纳森·马修斯教授解释说。“它们在室温下工作，你可以将它们用于量子通信，在非常敏感的传感器中，比如最先进的引力波探测器，而且有量子计算机的设计可以使用这些探测器。”
2021年，布里斯托尔团队展示了如何将光子芯片与单独的电子芯片连接起来，从而提高量子光探测器的速度——现在，通过单个电子-光子集成芯片，该团队将速度提高了10倍，同时将占地面积减少了50倍。
虽然这些探测器又快又小，但它们也很敏感。
“测量量子光的关键是对量子噪声的敏感性，”作者Giacomo Ferranti博士解释说。“在所有光学系统中，量子力学是一种微小的、基本的噪音。这种噪声的行为揭示了在系统中传播的量子光的信息，它可以决定光学传感器的灵敏度，并且可以用于数学上重建量子态。在我们的研究中，重要的是要表明，使探测器更小、更快并不会影响其测量量子态的灵敏度。"
作者指出，在将其他颠覆性量子技术硬件集成到芯片规模方面，还有更多令人兴奋的研究要做。对于新的探测器，效率需要提高，并且需要在许多不同的应用中进行试验。
马修斯教授补充说:“为了使其更容易应用，我们在一个商业上可访问的铸造厂建造了探测器。虽然我们对一系列量子技术的影响感到非常兴奋，但作为一个社区，我们必须继续应对量子技术可扩展制造的挑战。
“如果没有展示真正可扩展的量子硬件制造，量子技术的影响和好处将被推迟和限制。”
