用于片上量子发射器的可扩展平台

家用灯泡散发出混乱的能量，数万亿微小的光粒子 - 称为光子 - 在各个方向反射和散射。另一方面，量子光源就像光枪一样，每次触发单个光子，每次触发它们，使它们能够携带防黑客数字信息 - 这些技术对金融和国防等行业具有吸引力。

现在，史蒂文斯理工学院和哥伦比亚大学的研究人员已经开发出一种可扩展的方法，可以在芯片上以前所未有的精度创建大量这些量子光源，这不仅可以为不易破碎的加密系统的发展铺平道路，而且还可以为量子计算机铺平道路。可以在几秒钟内执行复杂的计算，这将花费正常的计算机数年。

“寻找可扩展的量子光源已经持续了20年，最近已经成为国家的首要任务，”领导这项工作的Stefan Strauf说道，他也是史蒂文斯纳米光子实验室的主管。“这是第一次在可扩展的芯片上实现空间控制水平与高效率相结合，所有这些都是实现量子技术所必需的。”

过去的研究已经测试了在限定位置生产量子发射器的方法，但是这些设计在触发单光子时不具有可扩展性或有效性，足以实际上有用。Strauf和他的团队通过成为第一个将空间控制和可扩展性与按需高效发射光子的能力结合起来改变了这一切。

为了实现这些功能，Strauf的团队设计了一种独特的方法，其中金纳米立方体具有双重目的：它将量子发射器印在芯片上，并充当它周围的天线。通过在金纳米立方体和镜子之间创建量子发射器，Strauf留下了5纳米的窄间隙 - 比一张纸的宽度小20,000倍。

“镜子和纳米立方体之间的这个微小空间创造了一个光学天线，将所有光子汇集到五纳米间隙中，从而集中了所有能量”斯特劳夫说。“从本质上讲，它为单个光子从定义的位置和所需方向快速发射提供了必要的增强。”

为了进一步提高量子光源的效率，Strauf与哥伦比亚大学的Katayun Barmak和James Hone合作，他开发了一种生长几乎没有缺陷的半导体晶体的技术。史蒂文斯的研究生岳珞使用这些独特的晶体，通过在纳米立方体上拉伸原子薄的材料，在芯片上构建了多排量子发射器。通过将镜子附着在纳米立方体的底侧上来形成纳米天线。

结果：每秒发射4200万个单光子，达到创纪录的高点; 换句话说，每秒触发器按需创建一个光子，而之前只有100个触发器中的一个。

虽然微小，但发射器非常坚固。“他们非常稳定，”斯特劳夫说。“我们可以冷却它们并加热它们并拆开谐振器并重新组装它们，它们仍能正常工作。” 大多数量子发射器必须保持冷却至-273°C，但新技术的工作温度可达-70°C。“我们尚未达到室温，”斯特劳夫说，“但目前的实验表明，实现这一目标是可行的。”