光子芯片电路可应用于量子计算

以最小的损耗传输和操纵最小光单位（光子）的能力在光通信以及量子计算机的设计中起着关键作用，量子计算机将使用光而不是电荷来存储和携带信息。

现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员和他们的同事已经将量子点单光子源（量子点是一种人造原子，当被激光照射时迅速和按需产生单个光子），与能够引导光而不产生明显强度损失的微型电路连接在一个微芯片上。

未来版本的新光子电路将采用低损耗的波导（单光子通过的通道）长达3米，但紧紧盘绕在芯片上。长波导将使研究人员能够更精确地选择光子离开不同通道在特定位置会合的时间间隔（Δt）。

以最小的损失传输和操纵最小的光单位光子的能力在光通信以及量子计算机的设计中起着关键的作用，量子计算机将使用光而不是电荷来存储和携带信息。

为了创建超低损耗电路，研究人员制作了硅氮化物波导：光子通过的通道，并将其埋入二氧化硅中。这些通道很宽但很浅，这种几何形状减少了光子散落出波导的可能性。将波导封装在二氧化硅中也有助于减少散射。科学家们报告说，他们的原型电路的强度损失仅相当于其他团队制造的类似电路的百分之一。

最终，采用这种新的芯片技术的设备可以利用量子力学的奇怪特性，完成经典（非量子）电路可能无法做到的复杂计算。这究竟是如何实现的呢？

根据量子力学定律，一个光子有概率同时停留在两个不同的地方，如两个不同的波导。这些概率可以用来存储信息；单个光子可以作为一个量子比特，它携带的信息比经典计算机的二进制比特要多得多，后者只限于0或1的值。

为了执行解决计算问题所需的操作，这些光量子比特必须同时到达电路中的特定处理节点。这构成了一个挑战：因为来自不同地点的光子沿着不同的波导在电路中旅行，与处理点的距离可能大不相同。为了确保同时到达，离指定目的地较近的光子必须延迟它们的旅程，让那些位于较远的波导中的光子先行一步。

上图显示了在一个芯片上创建新的超低损耗光子电路的一些步骤。一个微探针从一个芯片上抬起一个含有量子点的砷化镓装置。然后，探针将量子点装置放在另一块芯片上的低损耗氮化银波导上。