伴随着量子技术的高速发展，越来越多的科研人员把目光转向量子通信、量子计算、量子模拟等实际应用，人们坚信量子技术将会引领新一代的科技浪潮。加州大学圣巴巴拉分校 Galan Moody 实验室的Kamyar Parto博士认为，从所处的发展阶段来看，量子技术的今天，就像传统计算机的20世纪40年代。计算机发展之初，科研人员想要利用刚刚制造出的晶体管实现数字开关，但是到底基于何种结构的平台仍然是一个问题。因此，世界上不同的研究团队研发了不同的平台。不过最终都朝着一个方向发展——互补金属氧化物半导体（CMOS），在这之后，半导体技术迎来了爆发式的快速发展。今天的量子技术恰是如此，每个研究团队都有自己独特的想法和专门的应用，可谓百花齐放，目前还没有哪一种成为赢家。就量子计算而言，现在就有基于超导量子位、硅自旋量子位、静电自旋量子位和离子阱的量子计算机。Parto 预测，未来胜出的量子平台将是不同平台的组合，原因就在于虽然每种平台功能都很强大，但本身也不可避免的具有一定局限性。比如，自旋量子比特可以更轻松地存储信息并对其进行一些本地“操作”，却无法传输这些数据。但是如果采用量子光子学传输信息就变得非常容易。

 

       量子比特作为量子技术的驱动器，与经典比特存在很大的不同。后者可以表示0和1两种不同的状态，就像是一个硬币的两面要么是0要么是1，并且经过逻辑门运算之后得出的结果是0和1的一种情况，绝对不会出现既是了0又是1的情况。但是量子比特可以既是0 又是1，两种状态同时存在。这种状态在量子力学中称作“量子叠加态”。

 

       Parto 表示，在光子学领域，可以使单个光子处于既是0 又是1的状态。这是因为单个光子构成了所谓的双能级系统，意味着它可以存在于0、1或任何组合中，可以是20%的0 和80% 的1，也可以是70% 的0 和30%的1。实现该技术的挑战之处在于以高效率生成并收集单光子，比如使用波导将它们传输到芯片上。

 

       Parto 解释说：“如果将单光子放入许多不同的波导中，且每个波导上有一千个单光子。人们可以编码光子如何沿着芯片上的波导传播，从而实现量子计算。”虽然使用波导在芯片上控制光子传输相对简单，但隔离单光子并不容易，而且想要建立一个快速高效地产生数十亿个光子的系统要困难得多。

 

       虽然产生单光子的方法有很多，但 Parto及其同事通过某些仅有单个原子厚度的二维 (2D) 半导体材料中的缺陷来生成单光子。如果将激光照射到2D材料缺陷上，材料会发射单光子做出响应。材料中的缺陷表现为所谓的限速状态，由此可以一次一个的发出单光子。每隔3-5纳秒可能产生一个单光子，但具体的产生速度还需要进一步确定。

 

       2D材料的一大优势是易于在特定的位置设计缺陷。而且由于其厚度非常小，可以覆盖到其他材料上，不受3D 晶体材料几何形状的限制，且易于集成。实验过程中，2D材料上的缺陷必须以极高的精度放置在波导中。Parto 指出，材料上有一个点缺陷可以产生光，他们需要将那个单光子进入波导。为了达到这个条件，研究人员尝试了多种方法，比如，将2D放在波导上，然后寻找现有的单个缺陷，但即使缺陷精确对齐并位于正确的位置，提取效率也也只20%-30%。原因在于单个缺陷只能以一种特定的速率发射，并且一些光以倾斜的角度发射，而不是直接沿着波导的路径发射。该设计的提取效率理论上最高仅为 40%，但制造用于量子信息应用的有效设备需要 99.99% 的提取效率。

 

       Parto 表示，材料缺陷初发出的光朝着四面八方出射，但是只有照射到波导中才有用。研究人员有两种选择，如果将波导放置在缺陷的顶部，也许10%-15%的光会进入波导,但这远远不够。不过有一种称之为珀塞尔效应的物理现象——腔量子电动力学框架下的自发辐射增强，简单来说就是通过腔模的改变来调控量子体系自发辐射的速率。研究人员可以通过这种效应提高提取效率并将更多的光引导到波导中。在该研究中，他们采用微环形谐振器将光耦合进出波导。

 

       如果微腔足够小，可以导致缺陷腔的自发辐射，并在微环谐振器中加速，变得更亮，从而增强提取效率。通过Purcell效应，该研究在室温下表现出高达46%的腔增强光谱耦合效率，超过了无腔波导-发射器耦合的理论极限(高达40%)，比之前的工作提高了近1个数量级。

 

       “团队对实验结果感到满意，因为在2D材料上实现单光子发射有助于解决其他材料在可扩展性和可制造性方面所面临的一些挑战。短期内，我们计划进一步探究其在量子通信中的不同应用；但从长远来看，我们的目标是进一步开发可用于量子计算的平台，” Parto讲到。如果想要做到这一点，该团队需要将提取效率提高到 99% 以上，而实现这一目标需要更高质量的氮化物谐振环。但是氮化硅薄膜并不一定是完全结晶，即使在原子水平上对其进行平滑处理，它的表面可能看起来像海绵一样仍然很粗糙，这样就会导致光散射，影响耦合效率。然而，如果材料本身不是完全结晶的，即使你试图在原子水平上对其进行平滑处理，表面仍然可能看起来很粗糙，像海绵一样，导致光线从它们身上散射开来。虽然有的研究团队在专门的公司购买高质量的氮化物，但Parto 计划在 UCSB 洁净室的等离子增强化学气相沉积炉中独立生长氮化物，以确保材料质量。

 

       该研究以“Cavity-Enhanced 2D Material Quantum Emitters Deterministically Integrated with Silicon Nitride Microresonators”为题发表在 Nano Letters上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03151）。

 

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