要想讓量子技術邁向更廣泛的實際應用，開發和使用體積小、穩定性強、效率高且相對容易制造的器件必不可少。
小型化的器件可以讓裝置更容易內建到現有技術和環境中，同時也便于開發便攜式移動裝置。而容易制造的器件可以降低生産成本，加速量子技術的市場推廣。
随着量子技術的商業潛力被逐漸認識和挖掘，具有成本效益、高性能和高穩定性的器件成為行業追逐的對象。
這其中量子晶片不僅是實作量子計算機的技術基礎，也是推動量子網絡和量子安全通信甚至是整個量子技術及相關應用發展的關鍵因素。
在量子技術商業化程序加速的當下，掌握量子晶片的設計與制造技術将成為國家和企業競争力的重要标志。誰能在這場技術競賽中率先取得突破，可能會在未來的科技和經濟格局中占據優勢。
近日，電子科技大學基礎與前沿研究院周強教授課題組、清華大學電子工程系孫長征教授課題組聯合中國科學院上海微系統與資訊技術研究所等機構，在國際上首次研制出氮化镓量子光源。相關研究成果以《基于氮化镓微環的量子光生成：邁向完全片上光源》（Quantum Light Generation based on GaN Microring toward Fully On-Chip Source）為題，發表在 Physical Review Letters。
（來源：Physical Review Letters）
目前量子光學領域發展迅速，有望在未來量子資訊科技方面發揮重要作用。該領域進一步發展的主要挑戰之一，在于如何将較大的桌面尺寸裝置轉變為更加小型化的微晶片尺寸。
而實作裝置尺寸縮小的關鍵是能夠在半導體晶片上開發和內建量子光源，這是實作在一塊晶片上內建完整光量子電路的核心。
本次研究中，科研人員首次将氮化镓材料用于制造量子光源，并解決了高品質氮化镓晶體薄膜生長、波導側壁與表面散射損耗等一系列難題。
盡管在此之前已有砷化鋁镓、磷化铟和碳化矽等材料的量子光源，但它們由于與內建電路工業主流技術的相容性、成本、實體和化學性質以及內建難度等因素，并不适合于實作高度內建的光子電路。
而氮化镓材料因其優異的實體性質已經被廣泛用于各種光學元件，更容易與現有的矽基工藝內建。這種相容性使得氮化镓量子光源可以與矽晶片上的其他電子和光電元件（如傳感器、處理器等）整合，更适合在單一晶片上建構複雜的量子電路。這有助于降低生産成本，進而加速光量子技術的商業化程序。
此次為了制造氮化镓量子光源，研究團隊首先在藍寶石基底上生長了一層氮化镓薄膜。藍寶石因其良好的晶體特性和化學穩定性，常被用作生長其他半導體材料的基底。
然後在氮化镓薄膜上，蝕刻了一個直徑為 120μm 的環形結構。這個環形結構允許光子（光的粒子）在環内傳播，類似于聲波在回音廊（whispering gallery）彎曲牆面上的傳播方式。
研究人員還在環形結構旁邊蝕刻出一條波導，用于傳輸紅外雷射。波導是一種用于限制和引導光波或電磁波傳播的實體結構。在光學領域中，波導扮演了非常關鍵的角色，它能夠有效地傳輸光信号而不會使光波散失到周圍環境中。
（來源：Physical Review Letters）
在氮化镓量子光源的制造中，波導的作用是引導紅外雷射至環形結構，以及将環内生成的新光子傳出，為實驗和應用提供所需的光信号。
波導和環形結構之間的耦合允許一些雷射光子從波導進入環形結構。而當光子的波長正好是環形結構周長的整數倍時，會在環中産生共振。這時光子在環中的存留時間增加，進而能進行有效的光學處理或進一步的光學實驗操作。這種特性是實作光量子資訊處理和其他進階光學功能的關鍵。沒有形成共振的話，光子可能很快地從環中逸出或在環内傳播時逐漸衰減。
另外，進入環中的共振光子對，可能由于四波混頻效應（four-wave mixing）互相湮滅，湮滅的結果是産生兩個與原始光子不同波長的新光子。新的共振光子對可以通過調節耦合強度控制，從環中重新進入波導。這樣研究人員可以在外部檢測和利用這些具有特定量子特性的光子，以做進一步的實驗和技術操作。
研究團隊驗證了通過四波混頻産生的每對新光子都處于量子糾纏狀态，證明了氮化镓不僅可以成功用于生成量子光，而且其效能與其他傳統量子光源材料相當。
是以，氮化镓被證明是一個“良好的量子材料平台”，這為未來的量子技術裝置材料提供了更多的選項，在整個光量子領域中也具有廣泛的應用前景，可以被有效用于量子計算、量子通信和量子傳感等領域。
由于氮化镓在光電子和半導體領域已有廣泛的應用，其在量子領域的應用可能會導緻新型裝置的開發，如更小型、更高效的量子晶片和內建光電系統。
随着氮化镓量子光源技術的成熟和驗證，相關産業可能會經曆增長和變革，包括量子裝置制造和量子安全通信等。這不僅影響科研界，也可能引領市場趨勢和投資方向。
參考：
https://physics.aps.org/articles/v17/51
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.133603