一种世界首创的使用光子-光粒子实现量子光学电路的方法，预示着安全通信和量子计算的新未来。 现代世界是由“芯片”上的电子电路驱动的，“芯片”是我们常见的计算机，移动电话，互联网和其他应用程序中的基本半导体芯片。 预计到2025年，人类将创建175 ZettaBytes（175万亿GB）的新数据。
拥有如此大量的数据，我们如何确保敏感数据的安全性？ 我们如何使用这些数据来解决诸如隐私，安全和气候变化等重大挑战？ 特别是考虑到当前计算机的功能有限。
一种有希望的选择是新兴的量子通信和计算技术。 但是，要做到这一点，需要大力开发新型的量子光电路。 这样的电路可以安全地处理我们每天生成的大量信息。 南加州大学莫克家族化学工程和材料科学系的研究人员已经取得了突破，以帮助实现该技术。
传统电路是电荷中的电子沿路径流动，而量子光路径使用光源按需顺序生成单个光粒子或光子作为信息携带位（量子位或量子位）。 这些光源是纳米级的半导体“量子点”，是由成千上万个原子组成的微小制造集合，其线性大小小于典型人发厚度的千分之一，埋在另一个合适的半导体中矩阵。
迄今为止，它们已被证明是最通用的按需单光子发生器。 光路要求将这些单光子源以规则的图案排列在半导体芯片上。 然后，必须沿引导方向释放来自光源的几乎相同波长的光子。 这样，可以操纵它们与其他光子和粒子进行交互，以传输和处理信息。
到目前为止，这种电路的开发仍然存在很大的障碍。 例如，在当前的制造技术中，量子点具有不同的尺寸和形状，并且以随机的位置组装在芯片上。 这些点具有不同的大小和形状的事实意味着它们发射的光子不具有均匀的波长。 这种情况和位置顺序的缺乏使它们不适用于光学电路的开发。
在最近发表的工作中，南加州大学的研究人员证明，单个光子可以非常精确地排列，并且量子点以均匀的方式发射。 应该指出的是，量子点的排列方法是由首席PI教授Anupam-Maduka及其团队近30年前首先开发的，它比当前的量子信息要早得多。 爆炸性研究活动以及对片上单光子源的兴趣。 在这项最新工作中，USC团队使用此方法创建了具有显着的单光子发射特性的单量子点。 期望准确地排列并均匀地发射量子点的能力将使光电路的生产成为可能，并且可能带来量子计算和通信技术的新进展。
发表在“ APL光子学”上的研究进展是由张杰飞领导的，目前是莫克家族化学工程与材料科学系的研究助理教授，通讯作者是肯尼斯·诺里斯（Kenneth T. Norris）工程与化学工程教授，电气工程系材料Anupam Madhukar，科学与物理教授。
必须以精确的方式对量子点进行排序，以便可以操纵由任何两个或多个点释放的光子，使其在芯片上相互连接。 这将构成量子光路的基础。 这项工作还为有序和可扩展的量子点创造了新的世界纪录。 单光子发射的纯度大于99.5％，发射的光子的波长均匀性可以缩小到1.8nm，这比典型的量子点要窄。 增加了20到40倍。 通过这种均匀性，可以应用现有方法（例如局部加热或电场）来微调量子点的光子波长以使其完全匹配，这对于在不同量子点之间创建电路所需的互连变得可行。
这意味着研究人员首次可以使用成熟的半导体处理技术来创建可扩展的量子光子芯片。 此外，该团队目前的工作重点是从相同和/或不同的量子点建立相同程度的发射光子。 不可区分的程度是干涉和纠缠的量子效应的核心，并且是量子信息处理，通信，传感，成像或计算的基础。
AFOSR光电和光子计划主任Gernot S. Pomrenke表示，可靠的片上按需单光子源阵列是向前迈出的一大步。
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