研究人员在硅芯片上集成了世界上最小的量子光探测器

布里斯托尔大学（University of Bristol）的研究人员在硅芯片上集成了世界上最小的量子光探测器，实现了量子技术规模化的重要突破。这篇题为 "A Bi-CMOS电子光子集成电路量子光探测器 "的论文发表在《科学进展》（Science Advances）上。

20 世纪 60 年代，科学家和工程师首次将晶体管微型化到廉价的微型芯片上，这是开启信息时代的关键时刻。

现在，布里斯托尔大学的学者们首次展示了将比头发丝还小的量子光探测器集成到硅芯片上，使我们离利用光的量子技术时代更近了一步。

大规模制造高性能电子器件和光子器件是实现下一代先进信息技术的基础。如何在现有的商业设施中制造量子技术，是世界各地的大学研究机构和公司正在开展的一项国际性工作。

图片:university-of-bristol-1.jpg

硅ePIC量子芯片，安装在印刷电路板上进行测试，类似于个人计算机内部的主板。

对于量子计算来说，能够大规模制造高性能量子硬件至关重要，因为即使是制造一台机器也需要大量的组件。

为了实现这一目标，布里斯托尔大学的研究人员展示了一种量子光探测器，它是在芯片上实现的，电路占地80微米乘220微米。

至关重要的是，小尺寸意味着量子光探测器的速度可以很快，这是开启高速量子通信和实现光量子计算机高速运行的关键。

使用成熟的、商业上可获得的制造技术，有助于早日将其应用到传感和通信等其他技术中。

领导这项研究的量子工程技术实验室主任Jonathan Matthews教授解释说：“这类探测器被称为同调探测器，在量子光学的应用中随处可见。它们在室温下工作，你可以将它们用于量子通信，用于灵敏度极高的传感器，比如最先进的引力波探测器，还有一些量子计算机的设计也会用到这些探测器”。

2021 年，布里斯托尔团队展示了如何将光子芯片与独立的电子芯片连接起来，从而提高量子光探测器的速度，现在该团队利用单个电子-光子集成芯片，进一步将速度提高了 10 倍，同时将占地面积减少了 50 倍。

这些探测器不仅速度快、体积小，而且灵敏度高。

作者 Giacomo Ferranti 博士解释说：“测量量子光的关键在于对量子噪声的灵敏度，量子力学在所有光学系统中都产生了微小而基本的噪声。这种噪声的行为揭示了在系统中传播的量子光的类型，它可以决定光学传感器的灵敏度，并可用来在数学上重建量子态。在我们的研究中，重要的是要证明将探测器做得更小更快并不会阻碍其测量量子态的灵敏度”。

作者指出，在将其他颠覆性的量子技术硬件集成到芯片级方面，还有更多令人兴奋的研究要做。有了新的探测器，效率还需要提高，而且还需要在许多不同的应用中试用该探测器。

Matthews教授补充说：“我们与一家商业化的代工厂合作建造了这个探测器，目的是让它的应用更加普及。虽然我们对量子技术的影响感到无比兴奋，但作为一个团体，我们必须继续应对量子技术可扩展制造的挑战。如果不能展示量子硬件的真正可扩展制造，量子技术的影响和益处将被推迟和限制”。

相关链接：https://phys.org/news/2024-05-world-smallest-quantum-detector-silicon.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adk6890