Bekannt als „Null Unterschied“! Kleinster Quantenlichtdetektor lässt sich auf einem Siliziumchip integrieren

Der kleinste Quantenlichtdetektor auf einem Siliziumchip wurde von Forschern der Universität Bristol in Großbritannien entwickelt. Es handelt sich um einen auf einem Siliziumchip integrierten Quantenlichtdetektor, der sogar kleiner ist als ein menschliches Haar. Die Forschungsergebnisse wurden am 19. Mai 2024 in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Dieser Typ von Quantenlichtdetektor wird als Homodyndetektor bezeichnet und kann bei Raumtemperatur betrieben werden. Es eignet sich für Quantenkommunikation, extrem empfindliche Sensoren (wie hochmoderne Gravitationswellendetektoren) und einige Quantencomputer. Seine Integration stellt einen großen Fortschritt bei der Miniaturisierung und Massenproduktion von Quantengeräten dar.

Der Schlüssel zu dieser Technologie liegt darin, dass sie ausgereifte, kommerziell verfügbare Fertigungstechniken nutzt, die eine frühzeitige Übernahme in andere Technologien wie Sensorik und Kommunikation ermöglichen könnten. Die Forscher sagen, dass die Detektoren sehr schnell sein können, was für die Hochgeschwindigkeits-Quantenkommunikation und den Hochgeschwindigkeitsbetrieb optischer Quantencomputer von entscheidender Bedeutung ist.

Darüber hinaus ist dieser Detektor nicht nur klein und schnell, sondern auch hochempfindlich und kann Quanten sehr genau messen. Die Forscher planen, die Effizienz des neuen Detektors weiter zu verbessern und ihn in vielen verschiedenen Anwendungen zu testen.

Diese Forschung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung der Quantentechnologie, insbesondere in den Bereichen Quantencomputing und Quantenkommunikation, und dürfte die Quantentechnologie in eine neue Entwicklungsphase führen.

Bildquelle: Offizielle Website der University of Bristol

Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis haben gegenüber herkömmlichen Fotodetektoren einige offensichtliche Vorteile.

Zunächst einmal basiert das Funktionsprinzip von Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis auf dem photoelektrischen Effekt von Siliziummaterialien, der bei Siliziummaterialien eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Dies bedeutet, dass Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis bei sehr geringer Lichtintensität große Stromänderungen erzeugen können, wodurch die Empfindlichkeit des Detektors verbessert wird.

Zweitens nutzen Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis fortschrittliche Mikroelektroniktechnologie, was ihnen einen großen Vorteil bei den Produktionskosten verschafft. Darüber hinaus können Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis auch monolithisch in andere mikroelektronische Geräte integriert werden, was zur Verbesserung der Produktzuverlässigkeit und -konsistenz beiträgt.

Darüber hinaus weisen Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis auch gewisse Leistungsvorteile auf. Beispielsweise können Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis höhere Reaktionsgeschwindigkeiten und höhere Quanteneffizienzen erreichen, die für bestimmte anspruchsvolle Detektionsanwendungen sehr wichtig sind.

Schließlich bieten Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis auch in verschiedenen Anwendungsbereichen gewisse Vorteile. Da sich Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis durch hohe Empfindlichkeit, niedrige Kosten, hohe Reaktionsgeschwindigkeit und hohe Quanteneffizienz auszeichnen, bieten sie breite Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt, bei Sicherheitskontrollen, in der medizinischen Behandlung, in der intelligenten Steuerung und in anderen Bereichen.

Quantenphotodetektoren auf Siliziumbasis haben gewisse Vorteile hinsichtlich Empfindlichkeit, Kosten, Leistung und Anwendungsbereichen gezeigt, was ihnen großes Potenzial auf dem zukünftigen Markt für photoelektrische Detektion verleiht.

Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis stehen in Forschung und Anwendung vor zahlreichen Herausforderungen. Erstens sind für die Verarbeitung großer Mengen einzelner Photonen schnelle optische Schaltnetze mit geringen Verlusten erforderlich, und der technologische Bedarf in diesem Bereich ist noch nicht vollständig gedeckt. Zweitens ist die vollständige Integration von Quantenlichtquellen, -schaltungen und -detektoren auf siliziumbasierten Photonikchips eine enorme Herausforderung, insbesondere im Hinblick auf die Notwendigkeit, die Probleme der Pumplichtentfernung und der Niedertemperaturmanipulation von Photonen zu lösen. Darüber hinaus gibt es viele Probleme beim Entwurf und Herstellungsprozess von photonischen Chips auf Siliziumbasis, wie etwa das Fehlen kompakter Modelle, das Fehlen standardisierter Verbindungsmodelle, das Fehlen der erforderlichen Verifizierungsmethoden usw. Diese Probleme führen zu einem ineffizienten Entwurfsprozess.

Als Reaktion auf die oben genannten Herausforderungen umfassen die zukünftigen Verbesserungsrichtungen von Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis hauptsächlich die folgenden Aspekte:

Verbesserung der Leistung optischer Schaltnetze: Erforschen und entwickeln Sie effizientere und verlustärmere optische Schalttechnologien zur Unterstützung der groß angelegten Quanteninformationsverarbeitung.

Verbesserung der Integrationstechnologie: Erforschen Sie neue Technologien zur Integration von Quantenlichtquellen, Schaltkreisen und Detektoren auf siliziumbasierten photonischen Chips, wie beispielsweise siliziumbasierte Schalttechnologie, die bei niedrigen Temperaturen betrieben werden kann.

Designprozess optimieren: Verbessern Sie den Designprozess von siliziumbasierten photonischen Chips, einschließlich Gerätesimulation, Systemsimulation, Layoutdesign und Vorbereitungstests, um die Designeffizienz und Referenzierbarkeit zu verbessern.

Verbesserung von Materialien und Herstellungsprozessen: Erforschen und entwickeln Sie neue Materialien und Herstellungsverfahren, um die Leistung und Zuverlässigkeit von Quantenlichtdetektoren auf Siliziumbasis zu verbessern.

Stärkung des Aufbaus der Industriekette: Aufbau einer vollständigen Industriekette für optoelektronische Produkte auf Siliziumbasis, einschließlich mehrerer Integrationslösungen wie Front-End-Integration, Back-End-Integration und Hybridintegration, um eine Massenproduktion von Hochleistungsprodukten zu erreichen.

Um den wachsenden Anforderungen der Quanteninformationsverarbeitung gerecht zu werden, werden sich die Leistung, die Integrationstechnologie und die Optimierung des Designprozesses von Quantenfotodetektoren auf Siliziumbasis auch in Zukunft weiter verbessern.

Quellen:

1. Der kleinste Quantenlichtdetektor kann auf einem Siliziumchip integriert werden – China Science and Technology Network

2. Mikro-Quantenlichtdetektor: öffnet eine neue Tür zur Hochgeschwindigkeits-Quantenkommunikation - Byte Click

3. Neuer Durchbruch in der Quantentechnologie integriert Miniatur-Quantenlichtdetektoren auf Siliziumchips - NetEase

4. Forscher integrieren den weltweit kleinsten Quantenlichtdetektor auf einem Siliziumchip

5. Der kleinste Quantenlichtdetektor kann auf einem Siliziumchip integriert werden – NetEase

6 Entwicklung von Einzelphotonendetektoren auf Siliziumbasis basierend auf der Integration optischer Wellenleiter – Baidu Enzyklopädie

7. Der kleinste Quantenlichtdetektor kann auf einem Siliziumchip integriert werden und eröffnet damit eine neue Ära der Quantentechnologie - China.com