美国研发首个使用半导体芯片制造的单光子晶体管 速度快到每秒可处理100亿光子量子位

美国马里兰大学的研究人员展示了第一个使用半导体芯片制造的单光子晶体管。据该团队介绍，该器件体积非常小、非常紧凑，一粒盐中大约可以放一百万个这些新型晶体管;且速度快，能够每秒处理100亿个光子量子位。

制造由光触发的量子晶体管一直是个挑战，因为它要求光子之间相互作用。马里兰大学A. James Clark工程学院和联合量子研究所的Edo Waks教授说：“采用我们的晶体管应该能够在光子之间实现量子门，在量子计算机上运行的软件将使用一系列此类操作来获得某些计算问题的指数级加速。”

芯片介绍

光子芯片由带有许多空穴的半导体制成。进入芯片的光线反弹并被空穴困住;在光强度最强的区域内会形成量子点。

类似于传统的计算机存储器，量子点存储通过光子进入器件的信息。量子点可以有效地利用该存储器来调解光子相互作用，这意味着一个光子的作用会影响后来到达芯片的其他光子。

文章第一作者Shuo Sun说：“在单光子晶体管中，量子点存储器必须保持足够长的时间以与每个光子量子位相互作用。这可以使单个光子转变成更大的光子流，也因此我们的器件可以被视为晶体管。”

芯片测试

为了测试芯片是否像晶体管一样工作，研究人员针对器件如何响应只包含一个光子的弱光脉冲进行了研究。在正常环境中，这种暗淡的光可能几乎没有记录，但是，在这个器件中，单个光子能够长时间被捕获，并将其存在于附近的量子点中。

该团队观察到，单个光子可以通过与点相互作用来控制第二个光脉冲通过器件的传输。第一个光脉冲就像一把钥匙，打开第二个光子进入芯片的门。如果第一个脉冲不包含任何光子，则量子点将阻挡后续光子通过。这种行为类似于传统的晶体管，其中小电压控制电流通过其端子。在这里，研究人员用单个光子成功地取代了电压，并证明了他们的量子晶体管可以在量子点的存储器耗尽之前切换包含大约30个光子的光脉冲。

未来工作

Sun表示，通过实际工程改进，他们的方法可以将许多量子光晶体管连接在一起。该团队希望这种快速、高度连接的器件最终能够用于处理大量光子量子比特的紧凑型量子计算机。