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世界首个!四川团队研制出氮化镓量子光源芯片
文:川观新闻记者 文露敏 来源:基础与前沿研究院 时间:2024-04-17 3246

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量子光源芯片四川团队全球首用氮化镓  

  ●量子光源芯片,此前多使用氮化硅等材料进行研制

  ●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

  ●该团队接连取得的研究进展,将为量子互联网建设提供关键器件基础

  本报讯(四川日报全媒体记者 文露敏)4月15日,记者从电子科技大学信息与量子实验室获悉,该实验室研究团队与清华大学、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。

量子光源芯片是量子互联网的核心器件,可以看作是点亮“量子房间”的“量子灯泡”,让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。接连取得研究进展,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。


点亮世界的LED材料或将继续“照亮”量子互联网

四川日报全媒体记者 文露敏

4月14日世界量子日的前夕,接二连三的好消息,让电子科技大学信息与量子实验室研究团队分外振奋。先是突破了一项世界纪录——实现了光纤通信波段光子的时—频模式复用存储,将光纤通信波段固态量子存储的容量提升至1650个模式数。

最近,又拿下了一个领域“首次”——成功研制出氮化镓量子光源芯片,使得此类光源的输出波长范围从25.6纳米增加到100纳米,并有望实现单片集成。

对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来说,关键指标数据的一次次攀升,意味着离真正的量子互联网越来越近。

突破现有制造技术,在国际上首次将氮化镓运用到量子光源芯片上,如何做到?

研制产生量子纠缠的“灯泡”

他们盯上传统材料新应用

有一句话广为流传:遇事不决,量子力学。虽然只是戏谑,但也证明,在人们眼中,量子世界有多么神秘与复杂。

在量子世界里,量子纠缠是最为诡秘的存在,连爱因斯坦都称其为“鬼魅般的超距作用”。通俗来说,处于量子纠缠状态的两个粒子,就像一对孪生双胞胎,时刻保持着极度精准、毫无偏差的“心灵感应”,并且随对方做出相应变化。依托这些特性搭建起的量子互联网,相比传统互联网自然更加快速、安全。

在量子互联网的研究中,要产生量子纠缠,就需要发射纠缠光子的“灯泡”——量子光源器件。

周强告诉记者,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。”

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  “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)。受访者供图

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。

从25.6纳米到100纳米

持续进步,艰辛满满

目前,量子光源芯片多使用氮化硅材料研制,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,为量子互联网的建设提供了更多波长资源,满足更多用户采用不同波长接入量子网络的需求。“换句话说,新研制的‘量子灯泡’可以点亮更多‘量子房间’。”周强解释。

看似微小的进步,要做到并不容易。

周强介绍,氮化镓量子光源芯片的制备基础是高品质因子和低损耗微腔的研制,其关键点在于高晶体质量的氮化镓薄膜制备以及氮化镓波导的刻蚀工艺。

其中,蓝宝石衬底,是量子光源芯片的“底座”,氮化镓需要在上面“安家”“生长”。但两种不同的晶体要“生活”在一起,容易产生晶格失配这样的“摩擦”,难以生成高质量氮化镓薄膜。为减少薄膜的缺陷,提高其晶体质量,他们在研究中加入了一个“缓冲层”,最终获得了用于此次量子光源研制的高晶体质量氮化镓薄膜。

通过不断迭代电子束曝光和干法刻蚀工艺,经历了上百次的探索和调试,研究团队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,成功获得了低损耗氮化镓光波导和百万品质因子的氮化镓光学微腔,进而实现了氮化镓量子光源的制备。

辛苦没有白费。研究团队发现,氮化镓不仅可以用于激光输出、光学滤波和单光子探测等光学功能,还能够制备量子光源,满足全集成光子量子芯片的需求。大容量量子存储中继、多波长量子光源……随着一个个成果的取得,大容量、长距离、高保真量子互联网建设的“四川方案”正在形成。

周强说,接下来,他和团队还要继续努力攻关,改进氮化镓生长工艺,优化氮化镓的生长过程,并探索在单一芯片上实现量子光的生成、操控和检测,进一步研究氮化镓芯片在量子互联网中的性能。

正如LED点亮了世界,他期待这一新发现,继续“照亮”量子互联网。

编辑:刘瑶  / 审核:李果  / 发布:陈伟

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