美國研發(fā)首個使用半導(dǎo)體芯片制造的單光子晶體管 速度快到每秒可處理100億光子量子位

美國馬里蘭大學(xué)的研究人員展示了第一個使用半導(dǎo)體芯片制造的單光子晶體管。據(jù)該團隊介紹，該器件體積非常小、非常緊湊，一粒鹽中大約可以放一百萬個這些新型晶體管;且速度快，能夠每秒處理100億個光子量子位。

制造由光觸發(fā)的量子晶體管一直是個挑戰(zhàn)，因為它要求光子之間相互作用。馬里蘭大學(xué)A. James Clark工程學(xué)院和聯(lián)合量子研究所的Edo Waks教授說：“采用我們的晶體管應(yīng)該能夠在光子之間實現(xiàn)量子門，在量子計算機上運行的軟件將使用一系列此類操作來獲得某些計算問題的指數(shù)級加速。”

芯片介紹

光子芯片由帶有許多空穴的半導(dǎo)體制成。進入芯片的光線反彈并被空穴困住;在光強度最強的區(qū)域內(nèi)會形成量子點。

類似于傳統(tǒng)的計算機存儲器，量子點存儲通過光子進入器件的信息。量子點可以有效地利用該存儲器來調(diào)解光子相互作用，這意味著一個光子的作用會影響后來到達芯片的其他光子。

文章第一作者Shuo Sun說：“在單光子晶體管中，量子點存儲器必須保持足夠長的時間以與每個光子量子位相互作用。這可以使單個光子轉(zhuǎn)變成更大的光子流，也因此我們的器件可以被視為晶體管。”

芯片測試

為了測試芯片是否像晶體管一樣工作，研究人員針對器件如何響應(yīng)只包含一個光子的弱光脈沖進行了研究。在正常環(huán)境中，這種暗淡的光可能幾乎沒有記錄，但是，在這個器件中，單個光子能夠長時間被捕獲，并將其存在于附近的量子點中。

該團隊觀察到，單個光子可以通過與點相互作用來控制第二個光脈沖通過器件的傳輸。第一個光脈沖就像一把鑰匙，打開第二個光子進入芯片的門。如果第一個脈沖不包含任何光子，則量子點將阻擋后續(xù)光子通過。這種行為類似于傳統(tǒng)的晶體管，其中小電壓控制電流通過其端子。在這里，研究人員用單個光子成功地取代了電壓，并證明了他們的量子晶體管可以在量子點的存儲器耗盡之前切換包含大約30個光子的光脈沖。

未來工作

Sun表示，通過實際工程改進，他們的方法可以將許多量子光晶體管連接在一起。該團隊希望這種快速、高度連接的器件最終能夠用于處理大量光子量子比特的緊湊型量子計算機。