七海里佳点亮世界的LED材料或将继续“照亮”量子互联网

七海里佳□四川日报全媒体记者文露敏

七海里佳在4月14日世界量子日前夕，接二连三传来的好消息，让电子科技大学信息与量子实验室研究团队格外振奋：先是突破一项世界纪录——实现光纤通信波段光子的时－频模式复用存储，将光纤通信波段固态量子存储的容量提升至1650个模式数。最近又拿下一个“首次”——成功研制出氮化镓量子光源芯片，使得此类光源的输出波长范围从25.6纳米增加到100纳米，并有望实现单片集成。

七海里佳对电子科技大学基础与前沿研究院教授、天府绛溪实验室量子互联网前沿研究中心主任周强来说，关键指标数据的一次次攀升，意味着离真正的量子互联网越来越近。

七海里佳突破现有制造技术，在国际上首次将氮化镓运用到量子光源芯片，是如何做到的？

七海里佳研制产生量子纠缠的“灯泡”

七海里佳他们盯上传统材料新应用

七海里佳遇事不决，量子力学。虽然只是一句戏谑，但也说明在人们眼中，量子世界是多么的神秘复杂。

七海里佳在量子世界里，量子纠缠是最为诡秘的存在。通俗来说，处于量子纠缠状态的两个粒子，就像一对孪生双胞胎，时刻保持着极度精准、毫无偏差的“心灵感应”，并且随对方做出相应变化。依托这些特X搭建起的量子互联网，相比传统互联网更加快速和安全。

七海里佳在量子互联网研究中，要产生量子纠缠，就需要发射纠缠光子的“灯泡”——量子光源器件。

七海里佳周强告诉记者，量子光源作为量子信息载源，是量子互联网中不可或缺的重要组成部分。当前，国际上的量子光源研究正处于快速发展阶段，各种新颖技术路线和材料平台不断涌现。“近年来，小型化、器件化的可集成量子光源成为该领域的研究热点，我们也想有所突破。”

一幅“二龙戏珠”的示意图，可用于解释该器件中产生量子纠缠的物理过程：在微环器件上，左边的“龙”吸收泵浦激光光子，右边的“龙”发射出纠缠光子。图中，两条“龙”围起一个圆环，象征着实验中的微环器件，其选用的材料就是氮化镓。这是国际上首次将氮化镓材料运用于量子光源芯片的研制。

氮化镓在科学界并不是“寂寂无名”。2014年，三位科学家因发明蓝.se发光二极管（LED）并由此带来新型节能光源，获得当年的诺贝尔物理学奖，而氮化镓正是制作蓝.se发光二极管的材料。

作为第三*半导体材料，氮化镓具有高非线X系数和宽透明窗口。经典物理中大放异彩的材料，是否能够用于量子信息时代？

周强团队发现，通过合理设计波导结构，氮化镓可以实现量子纠缠光子的产生，而微环结构可用于增强光场与物质的相互作用，因此可利用氮化镓微环的非线X过程和场增强效应制备高X能的量子光源。

在不断“追新”之路上，他们离量子互联网又近了一点点。

从25.6纳米到100纳米

点亮更多“量子房间”的背后艰辛满满

目前，量子光源芯片多使用氮化硅材料研制，与之相比，氮化镓量子光源芯片在输出波长范围等关键指标上取得突破，输出波长范围从25.6纳米增加到100纳米，为量子互联网的建设提供了更多波长资源，满足更多用户采用不同波长接入量子网络的需求。“换句话说，新研制的‘量子灯泡’可以点亮更多‘量子房间’。”周强解释。

看似微小的进步，要做到并不容易。周强介绍，氮化镓量子光源芯片的制备基础是高品质因子和低损耗微腔的研制，其关键在于高晶体质量的氮化镓薄X制备以及氮化镓波导的刻蚀工艺。

其中，蓝宝石衬底，是量子光源芯片的“底座”，氮化镓需要在上面“安家”“生长”。但两种不同的晶体要“生活”在一起，容易产生晶格失配这样的“摩擦”，难以生成高质量氮化镓薄X。为减少薄X的缺陷，提高其晶体质量，他们在研究中加入了一个“缓冲层”，最终获得用于此次量子光源研制的高晶体质量氮化镓薄X。

通过不断迭*电子束曝光和干法刻蚀工艺，经历上百次的探索和调试，研究团队攻克了高质量氮化镓晶体薄X生长、波导侧壁与表面散射损耗等技术难题，成功获得低损耗氮化镓光波导和百万品质因子的氮化镓光学微腔，进而实现氮化镓量子光源的制备。

辛苦没有白费。研究团队发现，氮化镓不仅可以用于激光输出、光学滤波和单光子探测等光学功能，还能够制备量子光源，满足全集成光子量子芯片的需求。大容量量子存储中继、多波长量子光源……随着一个个成果的获得，大容量、长距离、高保真量子互联网建设的“四川方案”正在形成。

周强说，接下来，他和团队还要继续努力攻关，改进氮化镓生长工艺，优化氮化镓的生长过程，并探索在单一芯片上实现量子光的生成、操控和检测，进一步研究氮化镓芯片在量子互联网中的X能。

正如LED点亮了世界，周强期待这一新发现继续“照亮”量子互联网。