用于连接量子器件的光子晶体

发展光子量子技术的主要挑战是将单光子源与将用于处理数据的集成电路相连接。目前，德国的研究人员展示了如何使用光子晶体制成的腔体来完成此操作，该腔体将来可以使用标准的半导体制造技术进行批量生产。研究人员说，腔体设计应该具有足够的灵活性，以适合从计算到传感的广泛应用中。

引导单光子

在过去的几十年中，研究人员已经开发了多种类型的单光子光源，从基于单原子的光源到由碳纳米管或称为量子点的半导体片构建的其他光源。但是，目前的这些光源向各个方向发射光，因此它们产生的大部分已生成光子都会丢失。光具座可以使这些光子以某种方式在空间中传播，但这需要的高真空度和宏观镜面，因此该方法费力且成本颇高。

在最新的工作中，明斯特大学的Carsten Schuck等人用光子晶体制作了空腔。这些人造结构由透明的介电材料组成，该材料包含气孔的格子，这些格子显示出半导体带隙的光子当量，该光子当量是被器件阻止的频率范围。研究人员想法是改变孔的尺寸和间距或腔材料本身的宽度以将光限制在孔之间。当单光子光源位于此类光子晶体的正中心时，与腔体电磁场的耦合会变得很强，以至于光子将被约束沿腔体轴传播。

几种光子晶体的显微照片。三种可能的光子晶体设计，上面的两个依赖波导宽度的变化，下面的一个依赖于孔的大小和间距的变化。

专为扩大规模而设计

Schuck表示，他们设计的光子腔并不是通过将单个原子限制在反射率极高的反射镜之间而实现很高的控制水平。因此，该设计最大的特点是能够扩大规模。另外，纳米技术能够非常轻松地复制这些设备，即制造的每一个腔几乎都是相同的。对于在一片芯片上来说，无论我们拥有1个还是100个光子腔，实际上都没有区别。

研究小组的Doris Reiter和Jan Olthaus使用计算机仿真一系列设计，然后Schuck和Philipp Schrinner使用电子束光刻技术将其实际制备出来。制造出的光子晶体可将光限制在氮化硅薄膜内一百纳米的的范围内。研究人员发现，将腔体与钻石中氮原子的空位中心的光子（637 nm）耦合，当改变孔的大小和间距而不是调整腔体宽度时，可获得最佳结果。

Schuck指出，目前已经使用光子晶体构建了具有相似品质因数的型腔。但他解释说，这些空腔是自由的，它们是通过除去衬底（二氧化硅）而形成的，以便留下氮化硅光子晶体作为被空气包围的桥。这增强了晶体与其周围环境之间折射率的对比度，从而改善了设备的性能。

他们最新的工作实现了更精细的设计，即使光子晶体嵌入衬底中，也能产生上述的性能，从而创造了Schuck所描述的“街道”而不是桥梁光子晶体。他说，这种优化后的结构制造起来更加容易。Schuck表示正在考虑在不久的将来将100个设备集成到一个电路中，且这些设备相互通信。做到这一点的最佳方法是使用CMOS兼容技术，这意味着要遵守更严格的工艺标准。

走向可重构电路

根据Schuck的说法，最终目标是“建立量子技术平台”，这是一种可重新配置的电路，可用于多种应用，包括计算，仿真，传感或通信。但是，他承认某些应用程序可能比其他应用程序更难证明。他说，如果要构建量子计算机，则需要非常高的控制水平。但是，如果只想产生光子并将其用于通讯或传感，那么我们距离这个目标就更近了。

在制造方面，Schrinner目前正在努力使用一种新颖的光刻技术将微小的钻石发射器集成到光子晶体腔中，且在新装置中已经看到了一些耦合现象。同时， Reiter和Olthaus正在理论方面研究更复杂的晶体几何形状，包括使用椭圆形孔而不是圆形孔的可能性。