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链接。德国的物理学家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，以用于从计算到传感的广泛应用中。

明斯特大学的一个团队开发了光子晶体腔，可以帮助将单光子源与量子器件中的纳米光子电路元件联系起来。三种可能的光子晶体设计，上部的两个涉及波导宽度的变化，下部的取决于孔的大小和间距的变化。

引导单光子

在过去的几十年中，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小片构建的其他光源。但是，这些设备向各个方向发射，因此它们产生的大部分光子都会丢失，除非这些光子可以以某种方式在空间中传播。这可以在光具座上完成，但这项工作所需的高真空度和宏观镜面使其成为劳动密集型且昂贵的过程。

在最新的工作中，明斯特大学的Carsten Schuck及其同事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。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。

专为扩大规模而设计

舒克说，通过限制单个原子在极高反射率的反射镜之间，这些设备的设计并非具有很高的控制水平。他说，取而代之的是能够扩大规模。他说：“关键论点是，纳米技术使您能够非常轻松地复制这些设备，如果制造一个腔而又制造另一个腔，它们几乎是相同的。” “对于我们的芯片来说，无论我们拥有一个设备还是10或100，实际上都没有区别。”

小组成员Doris Reiter和Jan Olthaus都是理论家，他们使用计算机仿真来模拟一系列设计，然后Schuck和他的同事实验学家Philipp Schrinner使用电子束光刻技术将其变成可行的设备，在一百纳米的氮化硅薄膜内制造出将光限制在几个频率范围内的光子晶体。研究人员发现，将腔体与钻石中氮原子的空位中心（637纳米）的光子耦合，当改变孔的大小和间距而不是调整腔体宽度时，它们获得了最佳结果。

从桥到街

Schuck指出，已经使用光子晶体构建了具有相似品质因数的腔。但他解释说，这些空腔是长久存在的，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。

即使光子晶体嵌入衬底中，最新作品中更精细的设计也能产生类似的性能-创造了Schuck所描述的“街道”而不是桥梁。他说，这将使采用标准化制造技术制造起来更加容易。他说：“我们正在考虑在不久的将来将100个设备集成到一个电路中，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，如果您想产生光子并将其用于通讯或传感，那么我们距离这样做更近了。”

Schuckner说，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，“在新装置中已经看到了一些耦合”。 同时，理论家Reiter和Olthaus正在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。