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新型光子芯片可能是量子元件小型化的关键

量子创投界

2021-10-22

导读：光提供了一种我们与宇宙互动的不可替代的方式。它可以穿越银河系的距离，与我们的大气层相撞，形成一阵粒子雨，讲述过去天文事件的故事。

光提供了一种我们与宇宙互动的不可替代的方式。它可以穿越银河系的距离，与我们的大气层相撞，形成一阵粒子雨，讲述过去天文事件的故事。在地球上，通过控制光线，我们可以将数据从行星的一端传送到另一端。

考虑到光的广泛应用，光在21世纪量子信息应用中扮演关键角色就不足为奇了。例如，科学家利用激光精确地控制原子，将它们转化为时间、加速度甚至重力的超灵敏度量。目前，这种早期的量子技术受到尺寸的限制——最先进的系统连餐桌都放不下，更不用说芯片了。为了实际应用，科学家和工程师需要将量子装置小型化，这需要重新思考利用光的某些部件。

现在，IQUIST 成员 Gaurav Bahl 和他的研究小组设计了一种简单、紧凑的光子电路，利用声波控制光。这项新的研究发表在10月21日出版的《自然-光子》期刊上，展示了一种隔离或控制光方向性的有效方法。该团队的测量表明，他们的隔离方法目前优于所有以前的芯片替代方案，并优化了与基于原子传感器的兼容性。

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程学教授 Bahl 说: “原子是自然界中任何地方的完美参照物，为许多量子应用提供了基础。”。“我们用来控制原子的激光器需要隔离器来阻挡不需要的反射。但迄今为止，在大规模实验中运行良好的隔离器很难小型化。”

即使在最好的情况下，光也是难以控制的——当遇到一个表面时，它会反射、吸收和折射。一面镜子把光线反射回来，一块玻璃碎片折射光线，让光线通过，黑暗的岩石吸收光线，把光线转化为热量。从本质上讲，光会很高兴地把路径上的任何东西都分散开。这种笨重的行为就是为什么即使是一点点光线也有利于在黑暗中观察的原因。

在大型量子装置中控制光通常是一项艰巨的任务，涉及到大量的镜子、透镜、纤维等等。微型化需要一种不同的方法来处理这些部件。在过去的几年里，科学家和工程师在设计微芯片上的各种光控元件方面取得了重大进展。他们可以制作波导，这是传输光的通道，甚至可以改变它的颜色使用某些材料。但是，迫使光(由称为光子的微小光点构成)向一个方向移动，同时抑制不受欢迎的向后反射，是很棘手的。

这项研究的第一作者 Benjamin Sohn 说: “隔离器是一种设备，它可以让光线不间断地单向通过，然后完全阻挡反向通过。”他曾经是 Mechse 的研究生和博士后，现在在博尔德的 NIST 工作。“仅仅使用普通的电介质材料或玻璃是无法实现这种单向性的，因此我们需要更具创新性。我们还希望隔离器能够在原子传感器的波长范围内工作，但是现在即使是在大范围内也很难做到这一点。”

在典型的实验中，实现单向性的最佳工具是使用磁铁。例如，几乎所有的激光器都有一个磁光隔离器，可以让光线从激光器中出来，但是防止激光器向后移动，这会扰乱激光器的功能。虽然激光器也可以小型化，但是小型化的传统隔离器有两个问题。首先，在紧凑的元件中，磁场会对附近的原子产生负面影响。其次，即使有办法解决这个问题，隔离器内部的材料在芯片的较小长度尺度下也不能很好地工作。

Bahl的团队展示了一种新的非磁性隔离器，设计简单，使用普通的光学材料，并且容易适应不同波长的光。

"我们想设计一个自然避免损失的设备，而做到这一点的最好方法是让光在无物中传播。巴尔说："最简单的一点'无'，仍然可以引导光子沿着受控的路径传播，这就是波导，它是光子电路中一个非常基本的组成部分。

在一个完整的基于原子的系统中，波导将引导激光通过一系列的元素到达一个包含原子的小室。考虑到这一点，该团队已经优化了他们的芯片，以用于780纳米的光，这是配置常见的基于铷的传感器所需的波长。

这只是设计的前半部分，因为为了隔离，必须同时阻断相反方向的光线。此前，该团队表明，他们可以向光子电路发射声波，以打破光的对称流动。在新的研究中，该团队将这一想法变成了一个功能性芯片元件的演示。

完整的光子隔离器包含一个波导和一个相邻的环形谐振器，它看起来像一个长方形的赛道。通常情况下，传入的光线会直接从波导进入谐振器，而不考虑其方向，从而阻断所有的光流。但是，当研究小组将声波施加到环上时，共振器只捕捉到通过波导向后移动的光线。在前进的方向上，光线毫无阻碍地通过波导，就像共振器根本不存在一样。

研究小组的测量显示，几乎每一个光子都在前进方向上通过波导，而只有万分之一的机会向后通过。这意味着该设计将损失，或不良的光吸收，减少到几乎为零，这一直是以前片上隔离器的一个长期问题。数据显示，新元件在片上隔离方面表现出破纪录的性能，并且与较大的基于磁铁的元件一样运行良好。此外，该方法是灵活的，可以用于多种波长，而不需要改变起始材料。

"制造的简单性是关键--用我们的方法，你可以打印出对你需要的任何波长都能很好工作的光子隔离器，同时都在同一个芯片上。这在今天的其他方法中是不可能实现的，"共同作者、伊利诺伊大学电气工程系研究生Ogulcan Orsel说。

这可能使新设计对其他应用有用，如量子计算，其中杂散的、不受控制的磁场以及不需要的光会侵蚀整体设备性能。

这项工作得到了美国国防高级研究计划局（DARPA）、空军科学研究办公室（AFOSR）、国家科学基金会（NSF）和海军研究办公室（ONR）的支持。