用于量子网络的新型量子点

图例.1. 在（110）砷化镓衬底上制造的双量子点（DQD）和电荷传感器（CS）的示意图。图片来源：Tomohiro Nakagawa等人。

大阪大学科学与工业研究所（SANKEN）的科学家与加拿大国家研究委员会（NRC）合作，开发了一种砷化镓（GaAs）量子点，可以捕获单个电子。通过控制基板的晶体学取向，研究小组希望优化光子向自旋偏振电子的转换。这项工作可能有助于使量子网络更加实用，特别是对于加密安全数据。

您拥有的每台计算机或平板电脑都是基于使用电子电荷的计算。虽然当前的电子设备在处理速度方面取得了惊人的成就，同时变得越来越小，但制造商有可能很快就会遇到使用传统方法可以完成的基本限制。一个有希望的替代方案是也使用电子的固有磁矩，称为“自旋”。由于这些自旋可以同时上下叠加，因此它为量子计算机开辟了道路，这些计算机可能能够比当前硬件更快地解决某些问题。自旋也可以通过用光传输量子信息来用作量子通信的媒介。但是，这种将信息传递到极小电子自旋的过程具有挑战性，必须有效地执行。

现在，由大阪大学领导的一个研究小组在（110）定向表面上实现了世界上第一个GaAs栅极控制的量子点电路，有望提高光子 - 电子自旋转换效率（见图1）。这具有将来自入射光子的量子信息编码到电子自旋中的效果。“我们相信我们的研究是门定义量子点电路的首次演示，该电路还具有电荷检测功能，使用GaAs基板的这种特定方向，”第一作者Tomohiro Nakagawa说。

光子-电子自旋转换是通过吸收光子来激发电子和空穴来执行的。虽然有两种类型的孔，重孔和轻孔，但传统上只使用（001）取向表面上的GaAs量子点电路中的轻孔。由于空穴与GaAs晶格相互作用的方式，有助于确定自旋产生的磁矩的g因子在不同的加密方向上实际上可能不同。此功能允许通过使用重孔状态来有效地转换量子信息，这对于传统的基板来说是不可能的。将来，这可能是用于发送不可破解的量子密钥以保护敏感数据的协议的一部分。“我们工作的一个应用可能是长距离绝对安全的量子加密通信，”通讯作者Akira Oiwa说。

这项工作是作为与NRC强有力的国际合作的一部分而实现的。“将互补的专业知识，诀窍和设施结合在一起可以大大加快工作步伐，以实现两个群体的共同目标，在这种情况下，量子网络的发展。国际合作对于未来几十年量子网络技术的进步至关重要，“NRC高级研究官David G. Austing说。