量子發(fā)射驅(qū)動(dòng)的高速薄膜鈮酸鋰量子處理器

圖：片上量子干涉的測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

  可擴(kuò)展的光子量子計(jì)算體系結(jié)構(gòu)需要光子處理設(shè)備。這樣的平臺(tái)依賴于低損耗、高速、可重新配置的電路。最近發(fā)表在Science Advances上的文章中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有薄膜鈮酸鋰的集成光子平臺(tái)。科學(xué)家們利用納米光子波導(dǎo)中的量子點(diǎn)將該平臺(tái)與確定性固態(tài)單光子源集成在一起。他們?cè)诘蛽p耗電路中以幾GHz的速度處理產(chǎn)生的光子，并在高速電路上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了各種關(guān)鍵的光子量子信息處理功能;開發(fā)出四模式通用光子電路。這些結(jié)果表明，通過將集成光子學(xué)與固態(tài)確定性光子源相結(jié)合，可擴(kuò)展量子技術(shù)的發(fā)展。

  集成光子學(xué)量子技術(shù)的進(jìn)展

  量子技術(shù)在過去幾年中不斷進(jìn)步，使量子硬件能夠與經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)爭(zhēng)并超越其能力。然而，在各種實(shí)際應(yīng)用中大規(guī)模調(diào)節(jié)量子系統(tǒng)以及形成容錯(cuò)量子技術(shù)都具有挑戰(zhàn)性。光子學(xué)提供了一個(gè)很有前途的平臺(tái)，可以為長(zhǎng)程量子網(wǎng)絡(luò)提供可擴(kuò)展的量子硬件，該網(wǎng)絡(luò)具有跨多個(gè)量子設(shè)備的互連和用于量子計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)的光子電路。高質(zhì)量的光子態(tài)和快速、低損耗的可編程電路是光子量子技術(shù)路由和處理應(yīng)用的核心思想。研究人員最近開發(fā)了量子點(diǎn)等固態(tài)量子發(fā)射器，作為近理想、高效的不可區(qū)分光子源，以實(shí)現(xiàn)按需單光子源。

圖：芯片展示

  光量子信息處理

  在這項(xiàng)研究中，Sund及其同事專注于在二氧化硅絕緣襯底上結(jié)合的單晶鈮酸鋰薄膜，因?yàn)樗鼈兙哂袕?qiáng)大的電光性能、高透明度和高折射率對(duì)比度，可以形成集成電路，因此是一種很有前途的平臺(tái)。由于這些材料的透明度范圍各不相同，它們非常適合與各種固態(tài)量子發(fā)射器配合使用，并與低溫下的功能兼容。在這項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)首次描述了用于單光子水平量子信息處理的絕緣體上多模鈮酸鋰電路的開發(fā)。他們通過使用電路來調(diào)節(jié)和促進(jìn)量子點(diǎn)單光子源發(fā)射的光的量子態(tài)的功能來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)將波導(dǎo)集成量子點(diǎn)源發(fā)射的單光子注入鈮酸鋰光學(xué)電路，以顯示光子量子信息處理的關(guān)鍵功能，例如可重新配置的通用酉電路上的多光子干涉。

  集成光子平臺(tái)

  Sund及其同事說明了用于在絕緣體波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)單模鈮酸鋰的幾何結(jié)構(gòu)。他們通過電子束光刻和氬蝕刻在硅上二氧化硅襯底上結(jié)合的鈮酸鋰薄膜上實(shí)現(xiàn)了作為脊波導(dǎo)的光路。在蝕刻后，他們用hydrogen silsesquioxane覆蓋波導(dǎo)，并將光子集成電路光學(xué)耦合到單模光纖，以提高耦合效率。用馬赫-曾德爾干涉儀實(shí)現(xiàn)了電光可調(diào)諧波導(dǎo)電路，該干涉儀配有定向耦合器和電可調(diào)諧移相器。該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了調(diào)制器的高速性能，以評(píng)估所構(gòu)建的光子集成電路的性能。

  片上量子干涉

  在光子量子信息處理過程中，研究人員通過片上Hong-Ou-Mandel實(shí)驗(yàn)研究了多光子量子干涉的可見性，以測(cè)試光子量子信息加工平臺(tái)的性能。材料科學(xué)家通過使用嵌入光子和電子納米結(jié)構(gòu)中的自組裝砷化銦量子點(diǎn)產(chǎn)生單光子。該器件包含一個(gè)單面光子晶體波導(dǎo)和一個(gè)用于高效光子產(chǎn)生的淺蝕刻波導(dǎo)光柵，以及一個(gè)用于電噪聲抑制和發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)諧的異質(zhì)二極管?？茖W(xué)家們從量子點(diǎn)發(fā)射的單光子流中創(chuàng)建了雙光子輸入狀態(tài)，同時(shí)使用芯片外多路分解器分離成對(duì)的連續(xù)光子，使光子能夠同時(shí)到達(dá)芯片。然后，他們將光子導(dǎo)向單光子探測(cè)器進(jìn)行符合探測(cè)。集成單光子路由器快速光子路由器在光子量子計(jì)算中具有重要意義。Sund及其同事通過旋轉(zhuǎn)發(fā)射光子流來利用確定性量子發(fā)射器，用于量子網(wǎng)絡(luò)，以降低光量子計(jì)算架構(gòu)的成本。該研究團(tuán)隊(duì)在鈮酸鋰平臺(tái)上集成了快速移相器，并展示了用于量子點(diǎn)發(fā)射光子的片上光子路由器。實(shí)驗(yàn)裝置中的解復(fù)用器包含三個(gè)級(jí)聯(lián)在樹形矩陣網(wǎng)絡(luò)中的快速電光Mach-Zehnder干涉儀開關(guān)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路顯示了鈮酸鋰在絕緣體平臺(tái)上路由量子點(diǎn)產(chǎn)生的光子的潛力。

  通用四模干涉儀

  具有可編程組件的多模量子光子干涉儀對(duì)于實(shí)現(xiàn)光子量子技術(shù)的核心功能至關(guān)重要，如多光子門和聚變測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)用于量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)或模擬量子模擬的電路。該團(tuán)隊(duì)探索了在絕緣體平臺(tái)上進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)的量子點(diǎn)鈮酸鋰的可能性，并實(shí)現(xiàn)了由六個(gè)馬赫-曾德爾干涉儀和十個(gè)相位調(diào)制器組成的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的干涉儀。然后，科學(xué)家們將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量分布與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。

  展  望

  通過這種方式，Patrik Sund及其同事展示了鈮酸鋰在絕緣體平臺(tái)上處理新興固態(tài)確定性源光子的前景。該平臺(tái)可以針對(duì)可擴(kuò)展的量子技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。該團(tuán)隊(duì)建議在實(shí)驗(yàn)過程中使用折射率更高的包層，以優(yōu)化結(jié)果。絕緣體上的高速鈮酸鋰量子處理器提供了一種將量子光子技術(shù)擴(kuò)展到光子納米結(jié)構(gòu)之外的途徑，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)光子量子計(jì)算。

信息來源：Science