量子技术新突破将微型量子光探测器集成在硅芯片上

在有望加速量子技术领域的突破性进步中，英国布里斯托大学的研究人员通过将世界上最小的量子光探测器集成到硅芯片上，实现了一个重要的里程碑。这项创新将光子学和电子学结合成一个整体芯片，可以彻底改变量子技术的可扩展性和性能，使量子计算的时代更接近现实。

技术的量子飞跃

这项研究最近在《科学进展》上发表的论文中进行了详细说明，展示了布里斯托大学团队如何将量子噪声限制的同源探测器（quantum noise-limited homodyne detector）小型化到比人类头发更小的尺寸。硅芯片的集成标志着在量子设备的小型化和大规模生产方面向前迈出了重要的一步。

从历史上看，20世纪60年代晶体管在微芯片上的小型化催化了信息时代。今天，布里斯托团队的成就代表了量子技术类似的关键时刻。通过将高性能量子光探测器集成到硅芯片中，研究人员正在为开发可以大规模制造的先进量子信息技术铺平道路。

关键发现和结果

布里斯托大学团队创新的核心在于将量子噪声限制同源探测器集成到单个芯片中，其面积仅为80*220微米。该探测器具有15.3 GHz的3dB带宽和12 dB的最大散粒噪声间隙（maximum shot noise clearance）。这些性能指标对于高速量子通信和光学量子计算的进步至关重要。

此外，光子学和电子学在单个芯片上的整体集成使速度提高了十倍，同时与以前的方法相比尺寸减少了50倍。这种集成不仅提高了探测器的性能，还保持了对量子噪声的高灵敏度，这对准确测量光的量子状态至关重要。

区别于以前的技术

布里斯托大学研究人员的方法与传统方法不同，因为传统方法通常涉及通过宏观互连连接的单独光子和电子芯片。这些传统方法受到电容限制，限制了带宽和性能。相比之下，布里斯托团队使用的整体集成消除了这些电容约束，从而显著提高了性能。

此外，该探测器使用商业上可获得的250纳米光刻双极CMOS工艺制造。这种与现有制造技术的兼容性意味着探测器可以大规模生产，使其更适合在各种量子技术中广泛采用。

技术方法和创新

这一突破的核心技术创新涉及使用互补的金属氧化物半导体（CMOS）技术将光子和电子元件集成到单个芯片上。该芯片包括集成光电二极管、跨阻放大器（ transimpedance amplifiers，TIA）和分束器，所有这些都在紧凑的尺寸面积内。

精心进行了设计和制造过程，以确保这些组件的整体集成将消除寄生电容并提高性能。研究人员使用连续波激光器作为局部振荡器来测试设备的性能，测量响应率、共模拒绝率（ common mode rejection ratio，CMRR）、散粒噪声间隙和带宽。这些测试证实，探测器可以有效地测量光的量子态，验证其在各种量子应用中的实用性。

潜在应用和未来前景

这项研究的影响是广泛而多样的，潜在的应用跨越了量子技术的几个领域。以下是这项创新可能产生重大影响的一些关键领域：

1.量子通信：改探测器的高速和灵敏度使其非常适合用于量子通信系统。这可能会帮助发展利用量子力学原理的更安全的通信渠道。

2.光学量子计算：集成技术支持光学量子计算机的发展，这需要快速准确地检测量子状态。这可能会使我们更接近于实现实用和可扩展的量子计算机。

3.量子传感：探测器对量子噪声的灵敏度使其适用于量子传感器，例如用于引力波检测的传感器。这些传感器可以检测到令人难以置信的微弱信号，为科学研究开辟了新的可能性。

4.可扩展的量子技术：使用现有商业制造技术大规模生产这些探测器的能力对于大规模量子信息系统的开发至关重要。这种可扩展性对于构建量子未来所需的基础设施至关重要。

5.集成到其他技术中：布里斯托大学团队使用的方法可以应用于其他光子和电子集成电路，有可能提高传感、通信和计算方面广泛技术的性能。

前方的道路

虽然目前的研究代表了重大的飞跃，但仍有工作要做。未来的研究将侧重于提高探测器的效率，并将其与其他量子技术集成。例如，提高光电二极管的量子效率并结合更先进的光子组件可以进一步提高探测器的性能。

研究人员强调了可扩展制造对广泛采用量子技术的重要性，如果没有可扩展的解决方案，量子进步的影响和收益将被推迟和限制。