借助声波实现快速控制单个光子

光、声是现代通讯技术的基石：光纤+激光构成了互联网通讯的基础，芯片中的纳米级声波则对设备之间无线传输所用的千兆赫频率的信号进行处理。

未来亟待解决的一大问题是如何将这些技术应用到量子系统中。量子技术的应用需要灵活的架构，以克服当前设备可调节性有限或缺乏内置量子光源等问题。为避免与芯片外设备相连时不可避免的耦合损失，必须能在片上生成单光子。

一组研究人员已实现了以极高精度控制单个光量子，使用声波以千兆赫频率在芯片的两个输出之间实现对单个光子的切换。该方法可用于声学量子技术或复合集成光子网络中。

图1 聚焦激光束（左，蓝色）通过光子波导（红色）内的单个量子点生成单个光子，光子波导以结晶砷化镓铝（Al0.2Ga0.8As）为衬底。两个梳状交叉电极（IDT）产生纳米级声波，对波导施加应力。左侧IDT产生的纳米级声波对生成的单个光子颜色进行切换。两个波导由两个多模干涉分束器（MMIs）耦合。右边的IDT产生的声波根据光子的颜色（红色和绿色）对右侧输出单个光子分类

研究人员在单片半导体平台直接制作了一个动态可重构集成光子电路，包括一个Mach-Zender干涉仪和表面声波换能器。该系统中，表面声波对厚度约为人类发丝30倍的波导进行拉伸。此外，电路中还包括一个量子点形式组成的集成量子光源。

Münster大学的研究员Matthias weß说：“这些仅有几纳米的量子点嵌在波导内部，能发出单个光子。因为芯片中包括这些量子点，因此不必额外使用复杂方法来产生单个光子。”

Dominik Bühler在瓦伦西亚大学攻读博士学位期间设计了这一量子芯片。在光子沿波导传播的同时，研究人员利用纳米级声波以前所未有的速度直接在芯片的两个输出之间来回切换光子。

该团队认为，这一结果将是迈向混合量子技术的里程碑，因为这一技术将三个量子系统结合在了一起：一个以量子点形式存在的量子光源；光量子的产生；以及声子的产生——即声波中的粒子。

该团队在声学量子技术上向前迈进了新的一步。瓦伦西亚大学研究员Mauricio de Lima说：“目前我们致力于对芯片进一步改进，以实现随意操纵光子量子态，甚至实现对四个以上不同颜色输出光子的切换。”

此项研究发表于Nature Communications （www.doi.org/10.1038/s41467-022-34372-9）。