科技快讯 |打开光子计算之门——首个半导体单光子晶体管

晶体管构成了现代逻辑计算的基础，单光子开关和晶体管所产生的强“光子-光子”相互作用是量子信息网络的基础。单个光子对光信号的精准控制依赖于与量子存储器的强相互作用，然而这在固态体系中难以实现[1]。近日，马里兰大学帕克分校的Edo Waks教授团队突破这个难题，向我们展示了基于半导体芯片的世界上第一个单光子晶体管。这些晶体管非常小，100万个这样的晶体管可以装在一粒盐里；它的速度足够快，每秒能够处理100亿个光子的量子比特。这一突破性研究工作发表在7月6日的《Science》杂志上。

在量子计算与量子信息中，科学家可以用包括光子在内的多种量子化粒子作为量子比特（qubit，量子信息的载体）。光子是量子信息的理想载体，因为它们可以快速地进行远距离信息传送，并且它们可与芯片的制备工艺兼容。然而，制备由光触发的量子晶体管一直是科研界的一大挑战，因为它需要光子发生相互作用，而这种作用通常不会自发产生。

最近，在中性俘获原子强光与物质的相互作用研究也促进了单光子机制下光学非线性的研究进展。然而，中性原子需要借助复杂的激光诱捕器，并以兆赫级的低带宽运行，将它们集成到紧凑型器件中非常困难[2]；电路量子电动力学系统也支持强非线性，但它们仅在微波频段下工作，难以扩展到光学频率[3]。因此，在光学频率上实现紧凑的固态单光子非线性效应，仍然是可扩展芯片集成量子光子电路的难题。

在该研究中，光子芯片由半导体材料制成，器件内部有许多呈蜂窝状的周期性孔洞，一个量子点位于光强最强的光子晶体区域内。与传统的计算机存储器类似，该量子点存储有关光子进入器件的信息，可以有效地利用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。

Edo Waks教授团队演示了由固态量子存储器实现的单个光子开关和晶体管。他们的器件包括一个与纳米光子腔强耦合的半导体自旋量子比特（qubit），自旋量子比特使得63皮秒的单个栅极光子能够在器件内部状态复位之前，调制包含平均27.7个光子的信号场。他们的研究结果表明，半导体纳米光子器件可以产生强而可控的“光子-光子”相互作用，从而实现高带宽的量子信息处理。

“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。”Waks说道。

为了测试芯片是否能像晶体管一样工作，他们研究了器件如何响应只包含一个光子的弱光脉冲。在正常环境中，这种微弱的光线很难被察觉。然而，在这个装置中，可以长时间捕获单个光子，并在附近的量子点上记录它的存在。

该团队观察到，单个光子可以通过与量子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，则量子点会阻挡后续光子通过。这种行为类似于传统的晶体管，采用小电压控制电流通过其端子通道。该团队研究人员成功地用单个光子取代电压，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。

Sun表示，希望通过实际工程改进，他们的方法可以将许多量子光晶体管连接在一起；希望这种快速、高度连接的器件能够最终实现处理大量光子量子比特的紧凑型量子计算机。

（A）量子点的能级结构；

（B）光子晶体空腔的扫描电子显微镜图；

（C）单光子开关和晶体管的工作原理示意图；

（D）实现单光子开关和晶体管的脉冲时序图。

（A）在没有栅极场的情况下，信号场的透射率作为两个自旋旋转脉冲之间延迟时间t的函数；

（B）以检测栅极光子为条件，信号场的透射率作为两个自旋旋转脉冲之间延迟时间t的函数；

（C）信号场的透射率作为两个自旋转脉冲之间延迟时间t的函数。

（A）透射比与平均信号光子数的函数关系；

（B）晶体管增益与平均信号光子数的函数关系。