美国研究人员在集成碳化硅中开发出纠缠光子对

盖世汽车讯 量子信息科学令人着迷——成对的微小粒子可以纠缠在一起，即使在物理上分开，对其中任何一个粒子的操作都会影响一对。一种看似神奇的过程被称为隐形传态，它可以在不同的遥远量子系统之间共享信息。

这些不同的系统可以使用量子过程耦合起来，形成量子通信网络。安全通信、分布式量子计算和量子传感只是其中部分潜在应用。

图片来源：期刊《Light: Science & Applications》

在量子2.0（Quantum 2.0）的三十多年中（量子研发时期，涵盖了产生和使用量子纠缠的量子设备、系统和协议的开发），绝大多数实验都需要庞大的光学系统和专门的对准方案，这些方案通常跨越大型专用光学台，而这些光学台通过气动浮动，以避免最微小的机械振动。

就像微型硅集成电子技术推动计算机处理器从房间规模的电容器、电子管和磁铁组件进化为微小但功能强大的微芯片，即包含数以百万计的组件（我们的现代和“智能”技术就是以此为基础）；量子元件和工艺也需要利用集成光学技术进行小型化，为大规模部署和使用量子信息科学铺平道路，使其不再局限于实验室规模的实验，而是走向实际应用。

碳化硅（SiC）是集成工艺的领先平台，近年来因其在电动汽车等绿色技术的集成电子系统中的应用而蓬勃发展。该应用显著提高了SiC晶圆（制造集成设备的基本格式）的质量。

在量子科学领域，SiC已成为集成量子光子学（IQP）的有前途的材料，克服了硅等其他材料中存在的可扩展性问题。SiC的独特属性使其成为集成量子光学过程的理想选择，但要充分发挥其潜力仍存在挑战。在SiC微芯片上产生纠缠光子方面取得的最新突破标志着其在实际量子应用方面迈出了重要一步。

据外媒报道，在期刊《Light: Science & Applications》发表的一篇新论文中，美国国家标准与技术研究院（NIST）和卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University of Pittsburg）的科学家们首次演示SiC芯片级纠缠光子源。

使用在4H-SiC-on-insulator平台上图案化的集成光学微环谐振器，该设备通过一种称为自发四波混频（SFWM）的高阶非线性过程实现。

该实验设计成光子对（信号光和闲置光）处于电信波长，非常适合在光纤中传输（这对于量子通信和量子网络非常重要），并且以时间和能量纠缠的方式产生（称为时间-能量纠缠）。研究人员报告称生成了高质量、高纯度的纠缠光子对。

这些研究人员总结了新设备的特点，指出“我们的研究结果包括：片上光子对速率为（9 ± 1）× 103对/秒、泵浦功率为0.17 mW时，最大巧合与意外比（coincidence-to-accidental ratio）> 600，以及超过99%的双光子干涉条纹可见度，这些都明确证明了集成SiC基设备可用于芯片级量子信息处理。此外，这些结果与从硅等更成熟的集成光子平台获得的结果相当。”

“我们相信，我们的研究为4H-SiC-on-insulator平台在量子应用方面的竞争力提供了强有力的支持。例如，所展示的纠缠光子源可以很容易地部署在光纤网络中，用于量子通信。此外，通过将闲置光子的波长与SiC中发现的各种色心的零声子线对齐，我们可以在信号光子和自旋态之间产生纠缠。这种波长对齐过程也可以通过芯片级色散工程或频率转换来集成和实现，”研究人员补充道。

基于SiC的集成光学器件的未来是光明的，正如研究人员所言：“所有这些可能性都表明，基于SiC的量子光子学有着光明的未来，因为它能够将大量具有颜色中心（color centers）的芯片级量子光子和电学过程集成到各种应用中。”