世界首個！我國團隊研製出氮化鎵量子光源芯片

4月18日，記者從電子科技大學信息與量子實驗室獲悉，近日，該實驗室研究團隊與清華大學、中國科學院上海微系統與信息技術研究所合作，在國際上首次研製出氮化鎵量子光源芯片，這也是電子科技大學“銀杏一號”城域量子互聯網研究平台取得的又一項重要進展，相關成果發表在《物理評論快報》上。

據瞭解，量子光源芯片是量子互聯網的核心器件，可以看作點亮“量子房間”的“量子燈泡”，讓互聯網用户擁有進行量子信息交互的能力。

研究團隊通過迭代電子束曝光和幹法刻蝕工藝，攻克了高質量氮化鎵晶體薄膜生長、波導側壁與表面散射損耗等技術難題，在國際上首次將氮化鎵材料運用於量子光源芯片。

目前，量子光源芯片多使用氮化硅等材料進行研製，與之相比，氮化鎵量子光源芯片在輸出波長範圍等關鍵指標上取得突破，輸出波長範圍從25.6納米增加到100納米，並可朝着單片集成發展。

“這意味着，‘量子燈泡’可以點亮更多房間。”電子科技大學基礎與前沿研究院教授、天府絳溪實驗室量子互聯網前沿研究中心主任周強解釋，通過為量子互聯網的建設提供更多波長資源，可以滿足更多用户採用不同波長接入量子互聯網絡的需求。

就在一個多月前，該團隊將光纖通信波段固態量子存儲的容量提升至1650個模式數，突破了該領域的世界紀錄。接連的研究進展，將進一步為大容量、長距離、高保真量子互聯網的建設提供關鍵器件基礎。

另據川觀新聞報道，周強告訴記者，量子光源作為量子信息載源，是量子互聯網中不可或缺的重要組成部分。當前，國際上的量子光源研究正處於快速發展階段，各種新穎的技術路線和材料平台不斷湧現。“近年來，小型化、器件化的可集成量子光源成為該領域的研究熱點，我們也想有所突破。”

“龍光學”—量子糾纏產生過程。龍象徵氮化鎵環，其中一條龍吸收泵浦光子（左），另一條龍發射糾纏光子（右）。受訪者供圖

一幅“二龍戲珠”的示意圖，用以解釋該器件中產生量子糾纏的物理過程：在微環器件上，左邊的“龍”吸收泵浦激光光子，右邊的“龍”發射出糾纏光子。圖中，兩條“龍”圍起一個圓環，象徵着實驗中的微環器件，其選用的材料就是氮化鎵。這是國際上首次將氮化鎵材料運用於量子光源芯片的研製。

氮化鎵在科學界並不是“籍籍無名”。2014年，諾貝爾物理學獎頒發給三位科學家，以表彰他們發明藍色發光二極管（LED），並因此帶來新型的節能光源，而氮化鎵正是製作藍光二極管的材料。

作為第三代半導體材料，氮化鎵具有高非線性係數和寬透明窗口。經典物理中大放異彩的材料，是否能夠用於量子信息時代？

周強團隊發現，通過合理設計波導結構，氮化鎵可以實現量子糾纏光子的產生，而微環結構可用於增強光場與物質的相互作用，因此可利用氮化鎵微環的非線性過程和場增強效應制備高性能的量子光源。

在不斷“追新”之路上，他們離量子互聯網又近了一點點。