近日，電子科技大學(xué)信息與量子實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，在國際上首次研制出氮化鎵量子光源芯片，這也是電子科技大學(xué)“銀杏一號”城域量子互聯(lián)網(wǎng)研究平臺取得的又一項(xiàng)重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論快報》上。

據(jù)了解，量子光源芯片是量子互聯(lián)網(wǎng)的核心器件，可以看作點(diǎn)亮“量子房間”的“量子燈泡”，讓互聯(lián)網(wǎng)用戶擁有進(jìn)行量子信息交互的能力。

研究團(tuán)隊(duì)通過迭代電子束曝光和干法刻蝕工藝，攻克了高質(zhì)量氮化鎵晶體薄膜生長、波導(dǎo)側(cè)壁與表面散射損耗等技術(shù)難題，在國際上首次將氮化鎵材料運(yùn)用于量子光源芯片。

目前，量子光源芯片多使用氮化硅等材料進(jìn)行研制，與之相比，氮化鎵量子光源芯片在輸出波長范圍等關(guān)鍵指標(biāo)上取得突破，輸出波長范圍從25.6納米增加到100納米，并可朝著單片集成發(fā)展。

“這意味著，‘量子燈泡’可以點(diǎn)亮更多房間�！彪娮涌萍即髮W(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院教授、天府絳溪實(shí)驗(yàn)室量子互聯(lián)網(wǎng)前沿研究中心主任周強(qiáng)解釋，通過為量子互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供更多波長資源，可以滿足更多用戶采用不同波長接入量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的需求。

就在一個多月前，該團(tuán)隊(duì)將光纖通信波段固態(tài)量子存儲的容量提升至1650個模式數(shù)，突破了該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。接連的研究進(jìn)展，將進(jìn)一步為大容量、長距離、高保真量子互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供關(guān)鍵器件基礎(chǔ)。

據(jù)周強(qiáng)主任介紹，量子光源作為量子信息載源，是量子互聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的重要組成部分。當(dāng)前，國際上的量子光源研究正處于快速發(fā)展階段，各種新穎的技術(shù)路線和材料平臺不斷涌現(xiàn)。“近年來，小型化、器件化的可集成量子光源成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，我們也想有所突破。”

“龍光學(xué)”—量子糾纏產(chǎn)生過程。龍象征氮化鎵環(huán)，其中一條龍吸收泵浦光子（左），另一條龍發(fā)射糾纏光子（右）。

一幅“二龍戲珠”的示意圖，用以解釋該器件中產(chǎn)生量子糾纏的物理過程：在微環(huán)器件上，左邊的“龍”吸收泵浦激光光子，右邊的“龍”發(fā)射出糾纏光子。圖中，兩條“龍”圍起一個圓環(huán)，象征著實(shí)驗(yàn)中的微環(huán)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(yùn)用于量子光源芯片的研制。

氮化鎵在科學(xué)界并不是“籍籍無名”。2014年，諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給三位科學(xué)家，以表彰他們發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管（LED），并因此帶來新型的節(jié)能光源，而氮化鎵正是制作藍(lán)光二極管的材料。

作為第三代半導(dǎo)體材料，氮化鎵具有高非線性系數(shù)和寬透明窗口。經(jīng)典物理中大放異彩的材料，是否能夠用于量子信息時代？

周強(qiáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，氮化鎵可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏光子的產(chǎn)生，而微環(huán)結(jié)構(gòu)可用于增強(qiáng)光場與物質(zhì)的相互作用，因此可利用氮化鎵微環(huán)的非線性過程和場增強(qiáng)效應(yīng)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(lián)網(wǎng)又近了一點(diǎn)點(diǎn)。