半导体量子晶体管为基于光子的计算打开了大门

晶体管是微型开关，构成了现代计算的基石; 例如，数十亿人在智能手机内部传输电信号。

量子计算机将需要类似的硬件来操纵量子信息。但是这种新技术的设计限制是严格的，而今天最先进的处理器不能重新用作量子器件。这是因为量子信息载体，称为量子比特，必须遵循量子物理学规定的不同规则。

科学家可以使用多种量子粒子作为量子比特，甚至是构成光的光子。光子增加了吸引力，因为它们可以快速地远距离传送信息，并且它们与制造的芯片兼容。然而，制造由光触发的量子晶体管一直是具有挑战性的，因为它要求光子彼此相互作用，这通常不会自己发生。

现在，马里兰大学的A. James Clark工程学院和联合量子研究所(JQI)的研究人员 - 由电气和计算机工程教授，JQI研究员和电子和应用物理研究所会员Edo Waks领导 - 已经清除了这个障碍并演示了使用半导体芯片的第一个单光子晶体管。该装置在7月6日出版的“ 科学”杂志中有所描述。这些新晶体管中大约有一百万个可以装在一粒盐中。它速度快，能够每秒处理100亿个光子量子位。

“使用我们的晶体管，我们应该能够在光子之间执行量子门，”Waks说。“在量子计算机上运行的软件将使用一系列此类操作来获得某些计算问题的指数加速。

光子芯片由半导体制成，其中有许多孔，使其看起来很像蜂窝状。进入芯片的光线反弹并被孔图案困住; 一个叫做量子点的小晶体位于光强最强的区域内。类似于传统的计算机存储器，点存储有关光子进入设备的信息。点可以有效地利用该存储器来调解光子相互作用 - 这意味着一个光子的作用会影响后来到达芯片的其他光子。

“在单光子晶体管中，量子点存储器必须保持足够长的时间以与每个光子量子位相互作用，”斯诺福大学新工作和博士后研究员的主要作者Shuo Sun说。他是当时的UMD研究生。这个调查。“这允许单个光子切换更大的光子流，这对我们的设备被视为晶体管至关重要。”

为了测试芯片是否像晶体管一样运行，研究人员研究了器件如何响应通常只包含一个光子的弱光脉冲。在正常环境中，这种昏暗的灯光可能几乎没有记录。然而，在这个装置中，单个光子长时间被捕获，记录它在附近点的存在。

该团队观察到，单个光子可以通过与点相互作用来控制第二个光脉冲通过器件的传输。第一个光脉冲就像一把钥匙，打开第二个光子进入芯片的门。如果第一个脉冲不包含任何光子，则点会阻挡随后的光子通过。这种行为类似于传统的晶体管，其中小电压控制电流通过其端子。在这里，研究人员用单光子成功地取代了电压，并证明了他们的量子晶体管可以在量子点的存储器耗尽之前切换包含大约30个光子的光脉冲。

Waks说他的团队必须在让晶体管工作之前测试器件性能的不同方面。“到目前为止，我们拥有制造单个光子晶体管所需的各个元件，但在这里我们将所有步骤合并为一个芯片，”他说。

Sun表示，通过实际工程改进，他们的方法可以将许多量子光晶体管连接在一起。该团队希望这种快速，高度连接的设备最终将导致处理大量光子量子比特的紧凑型量子计算机。