一组研究人员制造出一组光探测器，其灵敏度足以探测到单个光粒子（即光子）的到来，并将其安装在硅光学芯片上。这类阵列是利用光子执行量子计算的设备的关键组件。
单光子探测器出了名地难以稳定工作：采用标准制造技术沉积在芯片上的100个探测器中，通常只有少数能够正常工作。在今日发表于《Nature Communications》的一篇论文中，MIT及其他机构的研究人员介绍了一种工艺：先分别制造并测试探测器，再将其中可正常工作的探测器转移到采用标准制造工艺制成的光学芯片上。
这种方法不仅能制成密度更高、尺寸更大的阵列，还能提高探测器的灵敏度。实验中，研究人员发现，与早期阵列中的探测器相比，他们的探测器准确探测到单个光子到来的可能性最高高出100倍。
“探测器和光子芯片这两个部分，都是通过各自专用的最佳制造工艺制成，然后再把它们结合起来，”MIT电气工程与计算机科学专业研究生、新论文第一作者Faraz Najafi解释说。
微观世界
根据量子力学，微小的物理粒子能够同时处于彼此排斥的状态，这一点有悖直觉。由这类粒子构成的计算元件称为量子比特（qubit），因此可以同时表示0和1。如果多个量子比特发生“纠缠”，也就是说，它们的量子态相互依存，那么从某种意义上说，一次量子计算就如同并行执行多次计算。
对大多数粒子来说，维持纠缠很困难，但光子相对容易做到。因此，光学系统是实现量子计算的一种很有前景的方案。不过，任何量子计算机——例如以激光捕获的离子或嵌入钻石中的氮原子作为量子比特的计算机——仍可受益于利用纠缠光子传递量子信息。
“归根结底，人们会希望构建这类光学处理器，其中可能有数十个或数百个光子量子比特；使用传统光学元件来实现就会变得难以操作，”MIT电气工程与计算机科学系Jamieson职业发展助理教授、新论文通讯作者Dirk Englund说。“这不仅难以操作，而且很可能根本无法实现，因为如果试图在大型光学平台上构建它，仅平台的随机运动就会给这些光学态带来噪声。因此，人们一直在努力将这些光学电路微型化，集成到光子集成电路上。”
该项目由Englund的研究团队与量子纳米结构与纳米制造组合作开展。该组由电气工程与计算机科学副教授Karl Berggren领导，Najafi也是该组成员。IBM和NASA喷气推进实验室的同事也参与了MIT研究人员的工作。
转移
研究人员首先采用传统制造技术制成硅光学芯片。在另一块硅芯片上，他们生长出一层薄而柔韧的氮化硅薄膜，并在其上沉积氮化铌超导材料，形成适用于光子探测的图案。随后，他们在所得探测器的两端沉积金电极。
接着，他们在氮化硅薄膜的一端粘上一小滴聚二甲基硅氧烷，这是一种硅酮。然后，他们将一根钨探针压在硅酮上；这种探针通常用于测量实验芯片上的电压。
“它有点像Silly Putty玩具橡皮泥，”Englund说。“把它压下去，它就会摊开，形成较大的表面接触面积；快速提起时，它会保持这一大面积。随后它会回缩，重新收拢成一点。这就像试图用手指捡起一枚硬币：按住它并迅速提起，过不了多久，硬币就会掉下来。”
研究人员用钨探针将薄膜从基底上剥离下来，再将其贴到光学芯片上。
在此前的阵列中，探测器只能探测到射向它们的单光子中的0.2%。即使是逐个沉积在芯片上的探测器，其历史最高探测率也只有约2%。而研究人员新芯片上的探测器探测率最高达到20%。这距离实用量子电路所需的90%或更高探测率仍有很大差距，但这是朝正确方向迈出的一大步。
“这项工作堪称一项技术壮举，”未参与这项研究的格拉斯哥大学光子学教授Robert Hadfield说。“借助商用取放技术，有望将其扩展到包含数百个探测器的大型电路。”
本文由 MIT News合作发布。本文的发表并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Larry Hardesty是MIT特约撰稿人。
图片：研究人员新制成的一个光子探测器，横跨沉积在硅光学芯片上一条光通道（即“波导”，黑色水平带）。MIT。
