號(hào)稱“零差”！硅芯片上可集成最小量子光探測(cè)器！

硅芯片上的最小量子光探測(cè)器是由英國布里斯托大學(xué)的研究人員所開發(fā)的，這是一種在硅芯片上集成的量子光探測(cè)器，其尺寸之小甚至超過了人類的頭發(fā)絲。這項(xiàng)研究成果已于2024年5月19日在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表。

這種量子光探測(cè)器被稱為零差探測(cè)器，能夠在室溫下工作，適用于量子通信、極其靈敏的傳感器（如最先進(jìn)的引力波探測(cè)器），以及某些量子計(jì)算機(jī)中。它的集成標(biāo)志著在量子設(shè)備的小型化和大規(guī)模生產(chǎn)方面向前邁出了重要的一步。

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于，它使用了成熟的、商業(yè)上可獲得的制造技術(shù)，這有助于早日將其應(yīng)用到傳感和通信等其他技術(shù)中。研究人員表示，這種探測(cè)器的速度可以很快，這對(duì)于高速量子通信和實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)行至關(guān)重要。

此外，這種探測(cè)器不僅體積小、速度快，而且靈敏度高，能夠非常精確地測(cè)量量子。研究人員計(jì)劃進(jìn)一步提高新探測(cè)器的效率，并在許多不同的應(yīng)用中進(jìn)行測(cè)試。

這項(xiàng)研究為量子技術(shù)的發(fā)展帶來了新的可能性，尤其是在量子計(jì)算和量子通信等領(lǐng)域，有望推動(dòng)量子技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。

圖片來源：布里斯托大學(xué)官網(wǎng)

硅基量子光探測(cè)器與傳統(tǒng)光電探測(cè)器相比，具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)。

首先，硅基量子光探測(cè)器的工作原理是基于硅材料的光電效應(yīng)，這種效應(yīng)在硅材料中具有很高的靈敏度，這意味著硅基量子光探測(cè)器能夠在很小的光照強(qiáng)度下就能產(chǎn)生較大的電流變化，從而提高了探測(cè)器的靈敏度。

其次，硅基量子光探測(cè)器采用了先進(jìn)的微電子工藝，使得其在生產(chǎn)成本上具有很大的優(yōu)勢(shì)。此外，硅基量子光探測(cè)器還可以與其他微電子器件進(jìn)行單片集成，這有助于提高產(chǎn)品的可靠性和一致性。

再者，硅基量子光探測(cè)器在性能上也具有一定的優(yōu)勢(shì)。例如，硅基量子光探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)更高的響應(yīng)速度和更高的量子效率，這對(duì)于某些高要求的探測(cè)應(yīng)用來說是非常重要的。

最后，硅基量子光探測(cè)器在應(yīng)用領(lǐng)域上也具有一定的優(yōu)勢(shì)。由于硅基量子光探測(cè)器具有高靈敏度、低成本、高響應(yīng)速度和高量子效率等特點(diǎn)，因此在航空航天、安檢、醫(yī)療、智能控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

硅基量子光探測(cè)器在靈敏度、成本、性能和應(yīng)用領(lǐng)域等方面都表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，這使得它在未來的光電探測(cè)市場(chǎng)中具有巨大的潛力。

硅基量子光探測(cè)器在研究和應(yīng)用中面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。首先，為了處理大量單光子，需要快速、低損耗的光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，而這方面的技術(shù)需求尚未得到充分滿足。其次，實(shí)現(xiàn)量子光源、回路和探測(cè)器的完全集成在硅基光子芯片上是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，特別是需要解決泵浦光的去除和對(duì)光子的低溫操縱問題。此外，硅基光子芯片的設(shè)計(jì)和制造工藝也存在諸多問題，如缺少緊湊模型、缺少標(biāo)準(zhǔn)鏈路模型、缺少必要的驗(yàn)證手段等，這些問題導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程效率低下。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，硅基量子光探測(cè)器未來的改進(jìn)方向主要包括以下幾個(gè)方面：

提高光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的性能：研究和開發(fā)更高效、更低損耗的光開關(guān)技術(shù)，以支持大規(guī)模量子信息處理。

完善集成技術(shù)：探索將量子光源、回路和探測(cè)器集成在硅基光子芯片上的新技術(shù)，如可低溫操作的硅基開關(guān)技術(shù)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)流程：改進(jìn)硅基光子芯片的設(shè)計(jì)流程，包括器件仿真、系統(tǒng)仿真、版圖設(shè)計(jì)和制備測(cè)試等環(huán)節(jié)，以提高設(shè)計(jì)效率和可參考性。

提升材料和制造工藝：研究和開發(fā)新型材料和制造工藝，以提高硅基量子光探測(cè)器的性能和可靠性。

加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)：建立完善的硅基光電子產(chǎn)業(yè)鏈，包括前端集成、后端集成和混合集成等多種集成方案，以實(shí)現(xiàn)高性能產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

硅基量子光探測(cè)器在未來將繼續(xù)在性能提升、集成技術(shù)、設(shè)計(jì)流程優(yōu)化等方面進(jìn)行改進(jìn)，以滿足日益增長(zhǎng)的量子信息處理需求。

參考資料：

1.硅芯片上可集成最小量子光探測(cè)器-中國科技網(wǎng)

2.微型量子光探測(cè)器：打開高速量子通信的新大門-字節(jié)點(diǎn)擊

3.量子技術(shù)新突破將微型量子光探測(cè)器集成在硅芯片上-網(wǎng)易

4.研究人員在硅芯片上集成了世界上最小的量子光探測(cè)器-光行天下

5.硅芯片上可集成最小量子光探測(cè)器-網(wǎng)易

6基于光波導(dǎo)集成的硅基單光子探測(cè)器的研制-百度百科

7.硅芯片上可集成最小量子光探測(cè)器 開辟量子技術(shù)新紀(jì)元-中華網(wǎng)