近日，布里斯托大学的研究团队，在量子技术小型化方面取得了重要突破，他们成功将全球最小的量子光探测器集成到硅芯片上。该工作以“A Bi-CMOS electronic photonic integrated circuit quantum light detector”为题，发表在《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芯片上，这一创新开启了信息时代。如今，布里斯托大学的学者们首次展示了将比人类头发丝还细的量子光探测器集成到硅芯片上，使我们向使用光的量子技术时代又迈进了一步。要实现下一代先进信息技术，规模化制造高性能电子和光子设备是基础。在现有商业设施中制造量子技术是一个全球各大学研究和公司共同应对的持续挑战。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，因为即便构建一台量子计算机，也需要大量组件。![]()
图1：器件示意图。
布里斯托大学的研究人员展示了一种量子光探测器，其集成电路面积仅为80微米乘220微米。如此小的尺寸使得量子光探测器可以非常快速，这对于解锁高速量子通信和实现光学量子计算机的高速操作至关重要。![]()
使用已建立且商业可获得的制造技术有助于早期将其应用于传感和通信等其他技术领域。这种探测器在量子光学的各种应用中广泛使用，能在室温下运行，适用于量子通信、极其敏感的传感器（如最先进的引力波探测器）以及某些量子计算机的设计中。2021年，布里斯托团队展示了如何将光子芯片与单独的电子芯片连接起来以提高量子光探测器的速度。现在，通过单一的电子光子集成芯片，团队将速度提高了10倍，同时将占地面积减少了50倍。虽然这些探测器既快又小，但它们也非常敏感。测量量子光的关键在于对量子噪声的敏感性。量子力学在所有光学系统中都会产生微小的、基本的噪声水平。这种噪声的行为揭示了系统中传输的量子光的类型信息，可以确定光学传感器的敏感度，并可以用来数学重建量子态。研究表明，使探测器变得更小更快并没有阻碍其测量量子态的敏感性。未来，研究人员计划将其他颠覆性的量子技术硬件集成到芯片规模，进一步提高新探测器的效率，并在各种不同的应用中进行试验。为了使探测器的应用更加普及，研究团队使用商业可获得的代工厂进行制造。然而，团队强调，继续应对量子技术可扩展制造的挑战至关重要。如果不能展示真正可扩展的量子硬件制造，量子技术的影响和好处将被延迟和限制。这一突破标志着我们向实现大规模量子技术应用迈出了重要一步，量子计算和量子通信的未来充满了无限可能。布里斯托大学的研究无疑将在这一领域继续引领潮流。论文链接：
www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6890
