清華科研團(tuán)隊實現(xiàn)高增益的微波單光子三極管
近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在單光子三極管的研究工作中取得重要進(jìn)展，首次在實驗中利用超導(dǎo)量子電路實現(xiàn)了微波單光子三極管，并實現(xiàn)了高達(dá)53.4dB的增益和超過20dB的開關(guān)比，相比之前的器件提高幾個量級。 M #&L@fg!
+##I4vP
電子三極管是一種重要的半導(dǎo)體器件，它既可以工作在數(shù)字電路中實現(xiàn)經(jīng)典邏輯門，又能夠用于模擬電路實現(xiàn)電流放大。與之類似，單光子三極管是一種能夠通過單個柵極光子控制輸入光信號開關(guān)和放大的光量子器件，在光量子網(wǎng)絡(luò)和全光計算領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。但是由于光子之間的相互作用非常微弱，實現(xiàn)高性能的單光子三極管非常具有挑戰(zhàn)性。在之前的工作中，有研究組借助單個原子、原子系綜或者半導(dǎo)體量子點實現(xiàn)了光子之間的有效相互作用，研制出了光波頻段的單光子二極管，但受限于這些體系中不完美的量子操控或者相對較弱的光和物質(zhì)相互作用，單光子二極管的有效增益最高不超過100，開關(guān)比也相對較差，極大地限制了可能的應(yīng)用。 NT/B4'_@
k K|+W,
[attachment=114932] `2+e\%f/0
圖1. 單光子三極管的工作原理 n1 (X%%2
在此項工作中，研究人員利用超導(dǎo)量子電路實現(xiàn)了極高增益和開關(guān)比的微波單光子三極管。如圖1a和b所示，他們采用一個超導(dǎo)量子比特和微波諧振腔的耦合系統(tǒng)作為三極管的柵極，在柵極入射的單光子可以改變超導(dǎo)量子比特的狀態(tài)，進(jìn)而改變與之耦合的另一個微波諧振腔（提供源極和漏極）的共振頻率，從而能夠?qū)υ谠礃O入射的微波光子完成開關(guān)操作。在實驗中，研究人員用微弱的相干態(tài)微波信號模擬單光子態(tài)用作柵極的控制信號，他們發(fā)現(xiàn)單個光子的確能夠有效的控制三極管的開啟和關(guān)斷，實現(xiàn)對源極微波信號的開關(guān)操作。由于源極微波光子數(shù)可以很高，這也相當(dāng)于實現(xiàn)了對柵極單光子信號的有效放大。研究人員發(fā)現(xiàn)，該三極管可以在一個很大的源極信號強(qiáng)度范圍內(nèi)正常工作，這相當(dāng)于實現(xiàn)了一個增益極高的單光子放大過程。如圖2a和b所示，即使當(dāng)源極的入射光子數(shù)接近106個的時候，該三極管依然可以有超過20dB的開關(guān)比，同時實現(xiàn)約53.4dB（相當(dāng)于2.19×105）的增益，比之前的工作提高了三個數(shù)量級。這項工作為基于微波光子的量子網(wǎng)絡(luò)和量子信息處理技術(shù)奠定了重要的基礎(chǔ)。 " z'!il#
'k Z1&_{
[attachment=114931] 0w. _}C z
圖2. 極高增益和開關(guān)比的微波單光子三極管 Wj=ex3K3u.
本研究成果近日以“一種超高增益的微波單光子三極管”（An ultra-high gain single-photon transistor in the microwave regime）為題在線發(fā)表在《自然•通訊》（Nature Communications）期刊上。 8mLU ~P
|
E2k Rt'~N
清華大學(xué)交叉信息研究院2017級博士王志凌、2018級博士生鮑增暉和2020級博士生李嚴(yán)為文章的共同第一作者，論文通訊作者為段路明教授和張宏毅副研究員，其他作者還包括吳宇愷助理教授、2017級博士蔡偉州、博士后王韋婷、2017級博士韓璽月、2019級博士生王家輝、宋祎璞研究員和孫麓巖副教授。 ,x.)L=Cx8
? +=|{{l
該項目得到了科技創(chuàng)新2030-“量子通信與量子計算機(jī)”重大項目、清華大學(xué)自主科研計劃、教育部和國家自然科學(xué)基金的資助與支持。
|