加利福尼亚州桑尼维尔 – 26 年 2024 月 XNUMX 日 – NTT 研究公司NTT (TYO:9432) 的一个部门今天宣布，其科学家 物理与信息学 (PHI) 实验室 已经实现了二维（2D）半导体中激子波函数的量子控制。在发表于的一篇文章中 科学进展由 PHI 实验室研究科学家 Thibault Chervy 和苏黎世联邦理工学院教授 Puneet Murthy 领导的团队记录了他们成功地将激子捕获在各种几何形状（包括量子点）中，并控制它们以在可扩展阵列上实现独立的能量可调性。
这一突破是 PHI 实验室与苏黎世联邦理工学院、斯坦福大学和日本国家材料科学研究所的科学家合作实现的。激子是材料吸收光子时形成的，对于从光收集和产生到量子信息处理等应用至关重要。然而，由于现有制造技术的限制，实现对其量子力学状态的精细控制一直受到可扩展性问题的困扰。特别是，对量子点的位置和能量的控制一直是扩大量子应用规模的主要障碍。这项新工作开启了纳米级激子动力学和相互作用工程的可能性，对光电器件和量子非线性光学具有影响。
量子点的发现和合成得到了广泛的认可 2023诺贝尔奖，已经部署在下一代视频显示器、生物标记、加密方案和其他地方。然而，它们在量子光学计算中的应用是 PHI 实验室研究议程的重点，但迄今为止仅限于非常小的系统。与当今使用电容器执行布尔逻辑来阻止电子或允许电子流动的数字计算机相比，光学计算面临着这样的挑战：光子本质上不会相互作用。
虽然此功能对于光通信很有用，但它严重限制了计算应用。非线性光学材料提供了一种方法，通过实现可用作逻辑资源的光子碰撞。 （PHI 实验室的另一个小组正在研究一种这样的材料，即薄膜铌酸锂。）由 Chervy 领导的团队正在更基础的层面上开展工作。 “我们要解决的问题基本上是你能把这件事推到什么程度，”他说。 “如果你有一个系统，其中的相互作用或非线性非常强，以至于系统中的一个光子会阻止第二个光子的通过，那么这就像单量子粒子级别的逻辑运算，这会让你陷入量子信息处理领域。这就是我们试图实现的目标，将光捕获在受限的激子态内。”
短寿命激子具有组成电荷（电子和电子空穴），这使得它们成为光子之间相互作用的良好介体。 Chervy、Murthy 等人采用电场来控制具有 2D 半导体薄片（0.7 纳米或三个原子厚）的异质结构器件上激子的运动。展示不同的遏制几何形状，例如量子点和量子环。最重要的是，这些遏制站点是在可控位置和可调能量处形成的。 “本文中的技术表明你可以决定 哪里 你会捕获激子，而且 在什么能量 它会被困住，”切尔维说。
可扩展性是另一个突破。 “你想要一个可以扩展到数百个站点的架构，”切尔维说。 “这就是为什么它的电气可控性非常重要，因为我们知道如何大规模控制电压。例如，CMOS 技术非常擅长控制数十亿个晶体管的栅极电压。我们的架构本质上与晶体管没有什么不同——我们只是在一个微小的结点上保持一个明确的电压电位。”
研究人员相信，他们的工作不仅为未来的技术应用而且为基础物理学开辟了几个新方向。 “我们已经展示了我们的技术在电子定义量子点和环方面的多功能性，”主要合著者、斯坦福大学博士 Jenny Hu 说。学生（在 托尼·海因茨教授的研究小组）。 “这使我们能够在纳米尺度上对半导体特性进行前所未有的控制。下一步将是更深入地研究这些结构发出的光的性质，并找到将这些结构集成到尖端光子学架构中的方法。”
除了对准粒子和非线性材料进行研究外，PHI 实验室的科学家还从事相干伊辛机 (CIM) 相关的工作，这是一个光学参量振荡器网络，经过编程可以解决映射到伊辛模型的问题。 PHI 实验室的科学家们也在探索神经科学与新计算框架的相关性。为了实现这一雄心勃勃的议程，PHI 实验室已与加州理工学院 (Caltech)、康奈尔大学、哈佛大学、麻省理工学院 (MIT)、圣母大学、斯坦福大学、斯威本理工大学达成联合研究协议、东京工业大学和密歇根大学。 PHI 实验室还与硅谷 NASA 艾姆斯研究中心签订了联合研究协议。
