A programmable quantum photonic platform integrating coherent emitters

量子计算的梦想往往感觉像是一个遥远的地平线，一个信息处理不再依靠电流的稳定流动，而是依靠光粒子奇特且脆弱的行为之处。为了让这一愿景成为现实，科学家们需要建造微小的电路，能够以现代电子处理电子那样的精度，来产生、引导和操纵这些光粒子。挑战在于将两个截然不同的世界结合起来：产生纯净单粒子的光源，以及用于引导它们的复杂布线。虽然研究人员已经掌握了利用微型半导体结构制造高质量光源的技术，并且分别构建了用于路由光线的复杂电路，但将这两项技术整合到单个芯片上的过程一直是一个顽固的障碍。其难度不仅在于将它们并排放置，还在于如何使它们协同工作，而不至于让光源所需的极低温破坏电路精密的机械结构。

一支研究团队现在通过展示一种新型的可编程平台，将这些组件集成到一个单一的工作系统中，从而在解决这一问题上迈出了重要一步。他们在由砷化镓制成的芯片上创建了一个设备，该设备可以同时控制单光子源和一个用于引导光线的机械开关。该光源是一个量子点，即一种能一次只发射一个光粒子的微型半导体结构；而开关则是一个微小的、类似镜面的可移动结构，可以通过电进行调节，从而将光发送到不同的路径。至关重要的是，研究人员展示了他们可以同时操作光路和开关，即使是在保持光纯度所需的极低温环境下。这种集成使他们能够在单个可重构的架构内执行复杂任务，例如分裂光束、使两束独立的光发生干涉，以及测量光从光源反射回来的情况。

这一成就的核心是一个拥有多个独立组件的芯片，每个组件都有自己的电气控制，但都通过一个微观光导网络连接在一起。研究人员设计该芯片时，确保用于调节光源的电信号不会干扰用于移动机械开关的信号。这是一个重大的障碍，因为光源需要微弱的电压来运行，而机械开关则需要更强的推力才能移动。通过仔细隔离电气连接，团队确保了即使在调整开关时，脆弱的量子特性也能保持完好。结果显示，该系统可以生成单个光子，将其路由通过机械开关，然后进行检测，同时始终保持其独特的量子特性。

为了证明该系统按预期工作，科学家首先测试了机械开关处理单光子的能力。他们将来自单个量子点的光导入开关，并测量光从两个输出路径中出来的过程。随着他们调节开关的电压，流向每条路径的光比例发生了平滑变化，展示了精确的控制。更重要的是，他们确认了在整个过程中，光仍然是单粒子的流。即使在调节开关以将光发送到不同方向时，光子也没有聚集在一起或失去其单粒子特性。这表明开关的机械运动并未扰乱光的量子态，这是未来量子计算机的关键要求。

研究人员随后探索了光是否保留了其自发干涉的能力，这是量子力学的一个基本属性。他们设置了一个实验，将来自同一光源的光进行分裂，然后重新组合，从而产生一个取决于光波性的模式。测量结果显示，光子确实可以相互干涉，产生了一个清晰的信号，证实了它们的相干性得到了保持。这意味着即使在经过芯片内复杂的布线和机械组件后，量子点发出的光仍然保持稳定且可预测。维持这种相干性对于执行量子计算机旨在进行的复杂计算至关重要。

除了简单的路由功能外，团队还展示了该平台可以用于研究光与物质之间更复杂的相互作用方式。他们展示了该系统如何测量当量子点被调谐到特定频率时，其对光的反射和透射情况。通过调节机械开关，他们可以分离出从光源反射回来的光和穿透过去的光。这些测量结果使他们能够观察量子点如何改变光，从而在透射信号中产生一个凹陷，并在反射信号中产生一个峰值。这些测量证实了该平台可用于探测光与物质相互作用的基本属性，为新型量子实验打开了大门。

或许最显著的是，研究人员展示了该系统可以同时控制两个独立的光源。他们将两个不同的量子点调谐到完全相同的频率，以补偿制造过程中出现的自然偏差。对齐后，他们将来自这两个源的光子送入机械开关，使其相互干涉。由此产生的测量结果显示了两个独立发射器之间存在清晰的量子干涉特征。这种能力是扩展量子系统的关键一步，因为它证明了多个光源可以在单个芯片上实现同步和控制，而不会丢失各自的特性。

该平台的成功依赖于先进材料与精密工程的结合。该芯片使用了一层悬浮在衬底之上的半导体材料，形成了一个自支撑薄膜。这种设计使机械组件能够自由移动而无摩擦，同时电气隔离槽防止了芯片一部分的信号影响另一部分。整个系统在约 5 开尔文的温度下运行，这一条件对于保持量子点的稳定以及确保机械开关高效运作是必要的。研究人员还指出，该系统在多次升温和降温循环中保持稳定，这表明该设备对于实际应用而言具有足够的鲁棒性。

虽然目前的系统仅是一个概念验证，但研究人员看到了扩展其能力的清晰路径。他们建议，未来的版本可以包含片上检测器以消除对外部设备的需求，并可以适配不同波长的光。将这些组件集成到单个可编程平台中，代表了从构建孤立量子器件向创建复杂、互联系统的转变。这项工作为下一代量子光子电路奠定了基础，在这些电路中，光的产生、操纵和检测都可以在单个可重构芯片上完成。控制多个量子发射器并精确路由其光的能力，使实现全集成量子处理器的愿景离现实又近了一步。