国际首次！我国科研团队研制出氮化镓量子光源芯片

近日，电子科技大学信息与量子实验室与清华大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所合作，在国际上首次研制出氮化镓量子光源芯片，这也是电子科技大学“银杏一号”城域量子互联网研究平台取得的又一项重要进展，相关成果发表在《物理评论快报》上。

据了解，量子光源芯片是量子互联网的核心器件，可以看作点亮“量子房间”的“量子灯泡”，让互联网用户拥有进行量子信息交互的能力。

研究团队通过迭代电子束曝光和干法刻蚀工艺，攻克了高质量氮化镓晶体薄膜生长、波导侧壁与表面散射损耗等技术难题，在国际上首次将氮化镓材料运用于量子光源芯片。

目前，量子光源芯片多使用氮化硅等材料进行研制，与之相比，氮化镓量子光源芯片在输出波长范围等关键指标上取得突破，输出波长范围从25.6纳米增加到100纳米，并可朝着单片集成发展。

“这意味着，‘量子灯泡’可以点亮更多房间。”电子科技大学基础与前沿研究院教授、天府绛溪实验室量子互联网前沿研究中心主任周强解释，通过为量子互联网的建设提供更多波长资源，可以满足更多用户采用不同波长接入量子互联网络的需求。

就在一个多月前，该团队将光纤通信波段固态量子存储的容量提升至1650个模式数，突破了该领域的世界纪录。接连的研究进展，将进一步为大容量、长距离、高保真量子互联网的建设提供关键器件基础。

据周强主任介绍，量子光源作为量子信息载源，是量子互联网中不可或缺的重要组成部分。当前，国际上的量子光源研究正处于快速发展阶段，各种新颖的技术路线和材料平台不断涌现。“近年来，小型化、器件化的可集成量子光源成为该领域的研究热点，我们也想有所突破。”

“龙光学”—量子纠缠产生过程。龙象征氮化镓环，其中一条龙吸收泵浦光子（左），另一条龙发射纠缠光子（右）。

一幅“二龙戏珠”的示意图，用以解释该器件中产生量子纠缠的物理过程：在微环器件上，左边的“龙”吸收泵浦激光光子，右边的“龙”发射出纠缠光子。图中，两条“龙”围起一个圆环，象征着实验中的微环器件，其选用的材料就是氮化镓。这是国际上首次将氮化镓材料运用于量子光源芯片的研制。

氮化镓在科学界并不是“籍籍无名”。2014年，诺贝尔物理学奖颁发给三位科学家，以表彰他们发明蓝色发光二极管（LED），并因此带来新型的节能光源，而氮化镓正是制作蓝光二极管的材料。

作为第三代半导体材料，氮化镓具有高非线性系数和宽透明窗口。经典物理中大放异彩的材料，是否能够用于量子信息时代？

周强团队发现，通过合理设计波导结构，氮化镓可以实现量子纠缠光子的产生，而微环结构可用于增强光场与物质的相互作用，因此可利用氮化镓微环的非线性过程和场增强效应制备高性能的量子光源。

在不断“追新”之路上，他们离量子互联网又近了一点点。