2019-10-09 23:28:01
物理学家耦合量子技术的关键组成部分

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量子效应是在纳米结构领域中真正发现的,并允许各种新技术应用。例如,量子计算机将来可以解决传统计算机需要大量时间才能解决的问题。在世界各地,研究人员都致力于量子技术的各个组成部分,其中包括使用单光子而不是电来处理信息的电路,以及产生这种单个光量子的光源。耦合这两个组件以在芯片上产生集成的量子光电路提出了一个特殊的挑战。

明斯特大学(德国)的研究人员现已开发出一种接口,该接口将单光子的光源与纳米光子网络耦合。该界面由所谓的光子晶体组成,即纳米结构的介电材料,当光通过时可以增强一定的波长范围。这种光子晶体已用于许多研究领域,但以前尚未针对此类界面进行过优化。研究人员特别小心地实现了这一壮举,其方式是通过使用已建立的纳米加工工艺直接复制光子晶体。

明斯特大学(MünsterUniversity)助理教授,与多里斯·里特(Doris Reiter)博士共同领导该研究的物理学家卡斯滕·舒克(Carsten Schuck)博士说:“我们的工作表明,不仅在高度专业的实验室和独特的实验中,还可以产生复杂的量子技术。”助理教授,从事固态理论领域的研究。结果可能有助于使量子技术具有可扩展性。该研究已经发表在《先进量子技术》杂志上。

背景与方法:

当单光子服从量子物理学定律时,研究人员就涉及的光源谈论了量子发射器。在他们的研究中,研究人员考虑了嵌入纳米金刚石中并在受到电磁场刺激时发射光子的量子发射器。为了产生所需的界面,研究人员的目的是开发适合于量子发射器波长的光学结构。

光子晶体中的空腔或孔非常适合捕获微量的光,并使光与物质(例如纳米金刚石)相互作用。 Jan Olthaus,博士Doris Reiter初级研究小组的物理学专业学生开发了理论概念和特殊的计算机辅助仿真技术,以便计算这些光子晶体的设计。

从理论上开发的设计是由初级研究小组的物理学家提出的,该小组由纳米技术中心的Carsten Schuck和明斯特大学的软纳米科学中心领导。博士学生Philipp Schrinner用氮化硅薄膜制造晶体。为此,他在Münster纳米制造厂的设备上使用了现代电子束光刻技术和特殊的蚀刻方法,并成功地在二氧化硅的基础材料上直接生产了高质量的晶体。

在构造晶体时,研究人员不仅改变了空腔的尺寸和排列,而且改变了放置空腔的波导的宽度。测得的结果表明,孔径大小有特殊变化的光子晶体最适合界面。

“在理论物理学家和实验物理学家之间的合作是进行物理研究的理想选择,” Doris Reiter说。 “这种类型的合作并不总是那么容易,因为我们各自的工作方法确实确实大相径庭,这就是为什么我们更高兴的是,对于我们的两个初级研究小组而言,合作是如此顺利。”卡斯滕·舒克(Carsten Schuck)补充说:“我们的工作特别之处在于我们的设计不需要任何额外的处理步骤,因为它们与用于集成光子电路的成熟薄膜技术兼容。”这在复杂量子技术的发展中不能被认为是理所当然的,因为尽管研究人员经常成功地一次性生产出重要的,高质量的组分,但他们无法再次生产同一组分的多个拷贝。

研究人员的下一步工作是尝试将嵌入纳米金刚石中的量子发射器定位在光子晶体上的某些位置,以期将研究结果付诸实践。为此,由卡斯滕·舒克(Carsten Schuck)领导的团队已经在开发一种特殊的纳米加工技术,该技术能够例如以不到50纳米的精度放置大小仅为100纳米的钻石。由多里斯·赖特(Doris Reiter)领导的理论物理学家团队希望将研究扩展到其他材料系统和更复杂的光子晶体几何形状,例如,使用椭圆孔而不是圆形孔。

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