多校联合研制氮化镓量子光源，高集成光量子芯片成为可能

要想让量子技术迈向更广泛的实际应用，开发和使用体积小、稳定性强、效率高且相对容易制造的器件必不可少。

小型化的器件可以让设备更容易集成到现有技术和环境中，同时也便于开发便携式移动设备。而容易制造的器件可以降低生产成本，加速量子技术的市场推广。

随着量子技术的商业潜力被逐渐认识和挖掘，具有成本效益、高性能和高稳定性的器件成为行业追逐的对象。

这其中量子芯片不仅是实现量子计算机的技术基础，也是推动量子网络和量子安全通信甚至是整个量子技术及相关应用发展的关键因素。

在量子技术商业化进程加速的当下，掌握量子芯片的设计与制造技术将成为国家和企业竞争力的重要标志。谁能在这场技术竞赛中率先取得突破，可能会在未来的科技和经济格局中占据优势。

近日，电子科技大学基础与前沿研究院周强教授课题组、清华大学电子工程系孙长征教授课题组联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所等机构，在国际上首次研制出氮化镓量子光源。相关研究成果以《基于氮化镓微环的量子光生成：迈向完全片上光源》（Quantum Light Generation based on GaN Microring toward Fully On-Chip Source）为题，发表在 Physical Review Letters。

（来源：Physical Review Letters）

当前量子光学领域发展迅速，有望在未来量子信息科技方面发挥重要作用。该领域进一步发展的主要挑战之一，在于如何将较大的桌面尺寸设备转变为更加小型化的微芯片尺寸。

而实现设备尺寸缩小的关键是能够在半导体芯片上开发和集成量子光源，这是实现在一块芯片上集成完整光量子电路的核心。

本次研究中，科研人员首次将氮化镓材料用于制造量子光源，并解决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一系列难题。

尽管在此之前已有砷化铝镓、磷化铟和碳化硅等材料的量子光源，但它们由于与集成电路工业主流技术的兼容性、成本、物理和化学性质以及集成难度等因素，并不适合于实现高度集成的光子电路。

而氮化镓材料因其优异的物理性质已经被广泛用于各种光学元件，更容易与现有的硅基工艺集成。这种兼容性使得氮化镓量子光源可以与硅芯片上的其他电子和光电组件（如传感器、处理器等）整合，更适合在单一芯片上构建复杂的量子电路。这有助于降低生产成本，从而加速光量子技术的商业化进程。

此次为了制造氮化镓量子光源，研究团队首先在蓝宝石基底上生长了一层氮化镓薄膜。蓝宝石因其良好的晶体特性和化学稳定性，常被用作生长其他半导体材料的基底。

然后在氮化镓薄膜上，蚀刻了一个直径为 120μm 的环形结构。这个环形结构允许光子（光的粒子）在环内传播，类似于声波在回音廊（whispering gallery）弯曲墙面上的传播方式。

研究人员还在环形结构旁边蚀刻出一条波导，用于传输红外激光。波导是一种用于限制和引导光波或电磁波传播的物理结构。在光学领域中，波导扮演了非常关键的角色，它能够有效地传输光信号而不会使光波散失到周围环境中。

（来源：Physical Review Letters）

在氮化镓量子光源的制造中，波导的作用是引导红外激光至环形结构，以及将环内生成的新光子传出，为实验和应用提供所需的光信号。

波导和环形结构之间的耦合允许一些激光光子从波导进入环形结构。而当光子的波长正好是环形结构周长的整数倍时，会在环中产生共振。这时光子在环中的存留时间增加，从而能进行有效的光学处理或进一步的光学实验操作。这种特性是实现光量子信息处理和其他高级光学功能的关键。没有形成共振的话，光子可能很快地从环中逸出或在环内传播时逐渐衰减。

另外，进入环中的共振光子对，可能由于四波混频效应（four-wave mixing）相互湮灭，湮灭的结果是产生两个与原始光子不同波长的新光子。新的共振光子对可以通过调节耦合强度控制，从环中重新进入波导。这样研究人员可以在外部检测和利用这些具有特定量子特性的光子，以做进一步的实验和技术操作。

研究团队验证了通过四波混频产生的每对新光子都处于量子纠缠状态，证明了氮化镓不仅可以成功用于生成量子光，而且其效能与其他传统量子光源材料相当。

因此，氮化镓被证明是一个“良好的量子材料平台”，这为未来的量子技术设备材料提供了更多的选项，在整个光量子领域中也具有广泛的应用前景，可以被有效用于量子计算、量子通信和量子传感等领域。

由于氮化镓在光电子和半导体领域已有广泛的应用，其在量子领域的应用可能会导致新型设备的开发，如更小型、更高效的量子芯片和集成光电系统。

随着氮化镓量子光源技术的成熟和验证，相关产业可能会经历增长和变革，包括量子设备制造和量子安全通信等。这不仅影响科研界，也可能引领市场趋势和投资方向。

参考：

https://physics.aps.org/articles/v17/51

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.133603