用于连接量子器件的光子晶体

明斯特大学的一个研究小组已经开发出一种光子晶体腔，可以帮助将单光子源与量子器件中的纳米光子电路元件连接起来。 发展光量子技术的一个主要挑战是将单光子源与处理数据的集成电路连接起来。
      目前，德国的物理学家已经演示了如何利用光子晶体制成的空腔来实现这一目标，这些用标准的半导体制造技术生产的空腔将来能够被大量生产。研究人员说，这种谐振腔的设计应该足够灵活，可以用于从计算到传感的广泛应用领域。
通道单光子 
      在过去的几十年里，从单原子光源到由碳纳米管或被称为量子点的半导体材料制成的光源，各种各样的单光子光源被开发出来。然而，这些设备向各个方向发射，所以它们产生的大部分光子都丢失了，除非这些光子能以某种方式在空间中被引导。这项工作可以在光学实验平台上完成，但是需要高真空条件和精密的实验器材，这使得这项工作变得复杂且昂贵。
      在最新的研究中，Carsten Schuck和他在明斯特大学的同事们用光子晶体来制造空穴。这些人造结构由一种透明的介电材料组成，这种材料中含有一种空穴点阵，这种空穴点阵表现出一种半导体带隙的光子当量——一种被该设备屏蔽的频率范围。 这个想法是改变空穴的大小和间距，或者改变空腔材料本身的宽度来限制空穴之间的光。当一个单光子光源位于这样一个光子晶体的中心时，与腔体电磁场的耦合会变得非常强，光子会被限制在腔体轴线上传播。
按比例设计 
      Schuck说，这些装置的设计初衷并不是通过将单个原子限制在极具高反射的镜子之间来达到可能的高度控制。相反，他们的目标是能够扩大规模。他说：“关键是，纳米技术让你可以非常容易地复制这些设备，如果你制造一个腔和制造另一个腔，它们几乎是一样的。对我们来说，在芯片上使用一台设备、10台或100台设备实际上没有区别。”
      小组成员Doris Reiter和Jan Olthaus，使用计算机模拟了设计的一系列过程, Schuck和他实验者同事Philipp Schrinner然后利用可行的设备使用电子束光刻技术制作光子晶体，从而限制光在几百纳米氮化硅薄膜。将这些空腔与637纳米的钻石上的氮空位中心的光子耦合，研究人员发现，当改变空腔的大小和间距而不是调整空腔的宽度时，他们得到了最好的结果。
从“桥"到"街"
      Schuck指出，利用光子晶体已经制造出了具有相似质量因子的腔体。但他解释说，这些空腔是独立的——通过去除衬底(二氧化硅)来形成氮化硅光子晶体，作为空气包围的桥梁。这增强了晶体和周围环境的折射率对比，提高了设备的性能。   
     最新成果中更精细的设计产生了类似的效果，尽管光子晶体嵌入在基质中，创造了Schuck所说的“街道”而不是桥。但他表示这将使使用标准化制造技术制造变得更容易。 他说：“我们正在考虑在不远的将来将100个设备集成到一个电路中，这些设备之间可以相互通信。最好的方法是使用cmos兼容的技术，这意味着要遵守更严格的过程标准。”
向可重构电路发展 
      根据Schuck的说法，最终的目标是“建立一个量子技术的平台”，这是一个可重构的电路，可以用于多种应用，包括计算、仿真、传感或通信。不过，他承认，有些申请可能会比其他的更难。“如果你想建造一台量子计算机，你需要非常高水平的控制，”他说。“但如果你想产生光子并将它们用于通信或传感，那么我们离这一步就更近了。”在制造方面，目前正在使用一种新的光刻技术将微小的钻石发射器集成到光子晶体腔中，Schuck表示在新的装置中“已经看到了一些耦合”。与此同时研究人员们正在研究更复杂的晶体几何，包括使用椭圆而非圆孔的可能性。

图：三种可能的光子晶体设计，上面两种涉及波导宽度的改变，下面一种则取决于孔的大小和间距的改变。