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半导体光子学与技术拓扑光子学—半导体技术发展的高速公路

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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拓扑光子学—半导体技术发展的高速公路

翻译自——spectrum

激光、芯片和量子电路都可以从这种模糊的现象中受益

自2007年拓扑绝缘体首次问世以来，这种内部绝缘、外部导电的新型材料激发了研究人员对其在电子领域的潜力的兴趣。然而，一种相关但更模糊的材料——拓扑光子，可能会首先达到实际应用。

拓扑学是数学的一个分支，研究形状的哪些方面能承受变形。例如，一个形状像环的物体可以变形成杯子形状，环上的孔形成了杯子柄上的孔，但是不能变形成没有孔的形状。

利用拓扑学知识，研究人员开发了拓扑绝缘体。沿这些材料的边缘或表面移动的电子能强烈地抵抗任何可能阻碍它们流动的干扰，就像变形环上的空穴能抵抗任何变化一样。

最近，科学家们设计了一种光子拓扑绝缘体，在这种绝缘体中，光具有类似的“拓扑保护”。“这些材料在结构上有规律的变化，使得特定波长的光沿着它们的表面流动，而不会散射或损失，甚至在角落和缺陷周围。”

拓扑光子学的三个有前途的潜在用途：

扫描电子显微镜图像中显示的电子驱动拓扑激光以太赫兹频率工作。

拓扑激光在这些新材料的第一个实际应用中可能是包含拓扑保护激光。例如，南加州大学的Mercedeh Khajavikhan和她的同事们开发了拓扑激光器，这种激光器比传统设备更有效，而且被证明更能抵抗缺陷。

第一个拓扑激光器每一个都需要一个外部激光来激发它们工作，但限制了实际应用。然而，新加坡和英国的科学家最近开发了一种电力驱动的拓扑激光器。

研究人员首先将砷化镓和砷化铝层夹在一起制成晶圆。当带电时，晶圆片发出明亮的光。

科学家们在晶圆片上钻了一个晶格孔。每个孔就像一个等边三角形，四角被削掉了。格子周围是形状相同的洞，方向相反。

晶圆片上受拓扑保护的光沿着不同孔组之间的界面流动，并以激光束的形式从附近通道中出现。新加坡南洋理工大学的电气和光学工程师王奇杰介绍，该设备被证明具有很强的抗缺陷能力。

激光工作在太赫兹频率，这对成像和安检是有用的。Khajavikhan和她的同事们现在正在开发一种可以在近红外波段工作的激光雷达，可能用于电信、成像和激光雷达。

扫描电子显微镜(SEM)图像显示了宾夕法尼亚大学开发的一种光子拓扑绝缘体。

通过使用光子而不是电子，光子芯片有望比传统电子设备更快地处理数据，这可能支持5G甚至6G网络的高容量数据路由。光子拓扑绝缘子在光子芯片中具有特殊的应用价值，可以引导光绕过缺陷。

然而，拓扑保护只在材料的外部起作用，这意味着光子拓扑绝缘体的内部有效地浪费了空间，极大地限制了这种设备的紧凑程度。

为了解决这个问题，宾夕法尼亚大学的光学工程师梁峰和他的同事们开发了一种具有边缘的光子拓扑绝缘体，他们可以对其进行重新配置，这样整个设备就可以传输数据。他们制造了一个250微米宽的光子芯片，并在上面蚀刻了椭圆环。通过外部激光泵入芯片，他们可以改变单个光圈的光学特性，这样“我们就可以把光送到芯片中我们想要的任何地方，”冯介绍到。——从任何输入端口到任何输出端口，甚至是一次多个输出端口。

总而言之，该芯片承载的端口数是目前最先进的光子路由器和交换机的数百倍。研究人员现在正在开发一种集成的方式来完成这项任务，而不是要求用芯片外的激光来重新配置芯片。

这幅艺术家的渲染图显示了受地形保护的光子在硅波导中移动。

在理论上基于量子位元的量子计算机是非常强大的。但是基于超导电路和捕获离子的量子位很容易受到电磁干扰，因此很难扩展到有用的机器上。但基于光子的量子位元可以避免这类问题。

量子计算机只有在它们的量子位元被“纠缠”，或连接在一起作为一个量子位元时才能工作。纠缠态是非常脆弱的，研究人员希望拓扑保护可以保护光子量子位元不受散射和当光子遇到不可避免的制造错误时可能发生的其他干扰。

光子科学家Andrea Blanco-Redondo现在是诺基亚贝尔实验室硅光子学的负责人，她和她的同事们制作了硅纳米线的格子，每条宽450纳米，并将它们平行排列。晶格中的纳米线偶尔会被两道粗缝与其它纳米线隔开。这在晶格中产生了两种不同的拓扑结构，而沿着这些拓扑结构边界向下移动的纠缠光子在拓扑结构上得到了保护，即使研究人员在晶格上添加了缺陷。希望这种拓扑保护可以帮助基于光的量子计算机解决远远超出主流计算机能力的问题。

利用拓扑光子学创造激光束，性能出乎意料的优秀

光纤激光器是最为广泛应用的一种激光器。根据预测，全球光纤激光器的销售额将由 2017年的 15.90 亿美元增加到 2020 年的 25.00 亿美元，年复合增长率为 16.28%。随着激光器的急速发展，相应的，各国在激光技术上的研究也从未停止过。

在最新的研究中，以色列海法Technion研究所的Mordechai Segev及其团队基于拓扑光子学创造了一个激光束，且其中的光波是同相的。这就意味着该技术的能量损耗将会更低，即激光发射效率更高。

实验中，研究团队将一系列圆形通道蚀刻到半导体材料芯片的表面，并从芯片上方将红外光投射到该结构上，这些圆形通道精确捕获特定波长的光波，然后使光波从一个环路移动到下一个环路，以形成光子系统。

但是在光子系统中，波传播的方向是可逆的，这样会导致能量损耗。去年，在加利福尼亚大学BoubacarKanté的研究中，他采用磁场来限制波的传播来解决这个问题；与之不同的是，此次Segev采用的是，圆形通道的不对称设计，该设计本身就会优先筛选波的一个方向的传播，这样不但避免了能量损耗的问题，还使得循环光脉冲被增强或放大。

两种方法有着本质的区别，虽然BoubacarKanté的方法形成了激光束，但是利用磁场对其进行限制或多或少对激光束的发射能量进行了削弱，而Segev的改进则要巧妙得多。

对此，Segev说道：“这要得益于拓扑保护，该系统完美的告诉我们不完美的恰恰是最稳定的。”

“大多数物理学家怀疑拓扑光子学会和激光产生兼容，从而导致发射不了激光，但事实上，这些系统通常比我们现有的系统更容易工作。”

将俘获原子和光子学相结合，用于新的量子器件

Bernien实验室的研究人员，包括研究生Noah Glachman（左）和Shankar Menon，已经发现了如何结合两种强大的技术——捕获原子阵列和光子器件——来产生用于量子计算、模拟和网络的先进系统。来源：约翰·齐奇

量子信息系统提供比标准计算机更快、更强大的计算方法，有助于解决世界上许多最棘手的问题。然而，要实现这一最终承诺，将需要比科学家尚未建造的更大、更互联的量子计算机。事实证明，将量子系统扩展到更大的尺寸，并连接多个系统是具有挑战性的。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员已经发现了如何结合两种强大的技术——捕获原子阵列和光子器件——来产生用于量子计算、模拟和网络的先进系统。新的组合将允许构建大型量子系统，这些量子系统可以很容易地扩大规模，通过利用光子学互连单个原子阵列。

“我们已经合并了两种技术，在过去，这两种技术实际上并没有太大关系，”分子工程助理教授，发表在Nature Communications上的新研究的资深作者Hannes Bernien说。“看到我们如何以这种方式扩展量子系统不仅从根本上很有趣，而且它也有很多实际应用。

被困在光镊中的中性原子阵列——高度聚焦的激光束，可以将原子固定在适当的位置——是一种越来越流行的构建量子处理器的方法。当这些中性原子网格以特定序列激发时，可以进行复杂的量子计算，这些计算可以扩展到数千个量子比特。然而，它们的量子态是脆弱的，很容易被破坏，包括被旨在以光子形式收集数据的光子设备破坏。

“由于技术上的根本差异，将原子阵列连接到光子器件一直非常具有挑战性。原子阵列技术依赖于激光器进行生成和计算，“PME研究生，新工作的共同第一作者Shankar Menon说。“一旦你将系统暴露在半导体或光子芯片中，激光就会散射，从而导致原子的捕获、检测和计算问题。

由Bernien实验室成员设计的原子 - 纳米光子界面的渲染图，该界面将允许构建大型量子系统，这些量子系统可以很容易地扩大规模。图片来源：伯尼安实验室，普利兹克分子工程学院

在这项新工作中，Bernien的团队开发了一种新的半开放芯片几何形状，允许原子阵列与光子芯片接口，克服了这些挑战。借助新平台，可以在计算区域中进行量子计算，然后将包含所需数据的原子中的一小部分移动到新的互连区域，以实现光子芯片集成。

“我们有两个独立的区域，原子可以在它们之间移动，一个远离光子芯片进行计算，另一个靠近光子芯片，用于互连多个原子阵列，”共同第一作者，PME研究生Noah Glachman解释说。“这种芯片的设计方式，它与原子阵列的计算区域的相互作用最小。

在互连区域，量子比特与微观光子器件相互作用，该光子器件可以提取光子。然后，光子可以通过光纤传输到其他系统。最终，这意味着许多原子阵列可以互连，形成比单个阵列更大的量子计算平台。

新系统的另一个优势 - 可能导致特别快速的计算能力 - 是许多纳米光子腔可以同时连接到一个单一的原子阵列。

“我们可以同时拥有数百个这样的腔体，它们都可以同时传输量子信息，”Menon说。“这导致了互连模块之间信息共享的速度大幅提高。”

虽然该团队展示了捕获原子并在区域之间移动的可行性，但他们正在计划未来的研究，着眼于该过程中的其他步骤，包括从纳米光子腔中收集光子，以及长距离产生纠缠。

更多信息： Shankar G. Menon 等人，具有无背景成像的集成原子阵列纳米光子芯片平台，《自然通讯》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-50355-4

期刊信息： Nature Communications

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