“邁出量子計算機的第一步”，東京大學採用GaN類量子點使單一光子源在室溫下工作

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日本東京大學納米電子研究機構宣布，採用可進行位置控制的GaN類納米線量子點，在室溫下成功生成了單一光子。單一光子源是讓單個光子承載信息進行量子信息處理的重要元件之一。該機構這樣定位此次的成果：“向能發揮飛躍性計算能力的量子計算機的實用化邁出了第一步”（該機構主任、東京大學生產技術研究所教授荒川泰彥）。

GaN納米線量子點圖。（a）為掃描型電子顯微鏡圖，（b）為透射型電子顯微鏡下的量子點部分透射圖，（c）為量子點納米線概念圖

已進行位置控制的GaN類納米線量子點的形成技術

要使這項成果在量子信息處理用途上達到實用水平，必須有採用量子點的單一光子源，這些單一光子源要同時具備三個條件：“可在室溫下工作”、“能進行位置控制”和“用普及材料實現”。第一個條件如果無法在室溫下工作，就需要使用大型冷卻裝置。關於第二個條件，集成多個元件制作電路時，必須進行位置控制。而第三個條件——利用普及材料來實現，也對量子計算機的實用化十分重要。

以前也出現過可在室溫下工作或能夠進行位置控制的採用量子點的單一光子源。但開發出同時具備上述三項條件的單一光子源“尚屬首次”（荒川）。其工作溫度為300K（27℃）。使用的材料是廣泛用於藍色LED及功率元件的GaN（氮化鎵）。

此次通過開發新型GaN類納米線量子點形成技術，實現了位置控制。具體做法如下：首先在藍寶石基板上層疊AlN膜和SiO2膜。然后採用電子束蝕刻技術，在打算形成GaN類納米線量子點的位置去掉SiO2膜，以形成直徑25n∼100nm左右的開口部。此時該部分的AlN就會暴露出來。接下來再採用MOCVD法，在開口部選擇性生長GaN。最后會形成高1μm左右的納米線狀GaN，這樣便可在其頂端制作GaN類量子點。這種量子點具有很高的品質，可獲得頂部鋒利的清晰發光光譜。

據東京大學介紹，除了量子計算機之外，此次的技術還適合應用於實現通信安全的量子密碼通信領域。（作者：田中 直樹，日經技術在線！供稿）