量子發(fā)射驅動(dòng)的高速薄膜鈮酸鋰量子處理器

圖：片上量子干涉的測量實(shí)驗裝置示意圖。

  可擴展的光子量子計算體系結構需要光子處理設備。這樣的平臺依賴(lài)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)研究團隊開(kāi)發(fā)了一種具有薄膜鈮酸鋰的集成光子平臺?？茖W(xué)家們利用納米光子波導中的量子點(diǎn)將該平臺與確定性固態(tài)單光子源集成在一起。他們在低損耗電路中以幾GHz的速度處理產(chǎn)生的光子，并在高速電路上實(shí)驗實(shí)現了各種關(guān)鍵的光子量子信息處理功能;開(kāi)發(fā)出四模式通用光子電路。這些結果表明，通過(guò)將集成光子學(xué)與固態(tài)確定性光子源相結合，可擴展量子技術(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(guò)去幾年中不斷進(jìn)步，使量子硬件能夠與經(jīng)典超級計算機競爭并超越其能力。然而，在各種實(shí)際應用中大規模調節量子系統以及形成容錯量子技術(shù)都具有挑戰性。光子學(xué)提供了一個(gè)很有前途的平臺，可以為長(cháng)程量子網(wǎng)絡(luò )提供可擴展的量子硬件，該網(wǎng)絡(luò )具有跨多個(gè)量子設備的互連和用于量子計算和模擬實(shí)驗的光子電路。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)路由和處理應用的核心思想。研究人員最近開(kāi)發(fā)了量子點(diǎn)等固態(tài)量子發(fā)射器，作為近理想、高效的不可區分光子源，以實(shí)現按需單光子源。

圖：芯片展示

  光量子信息處理

  在這項研究中，Sund及其同事專(zhuān)注于在二氧化硅絕緣襯底上結合的單晶鈮酸鋰薄膜，因為它們具有強大的電光性能、高透明度和高折射率對比度，可以形成集成電路，因此是一種很有前途的平臺。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。在這項工作中，該團隊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(kāi)發(fā)。他們通過(guò)使用電路來(lái)調節和促進(jìn)量子點(diǎn)單光子源發(fā)射的光的量子態(tài)的功能來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。該團隊將波導集成量子點(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

  Sund及其同事說(shuō)明了用于在絕緣體波導上實(shí)現單模鈮酸鋰的幾何結構。他們通過(guò)電子束光刻和氬蝕刻在硅上二氧化硅襯底上結合的鈮酸鋰薄膜上實(shí)現了作為脊波導的光路。在蝕刻后，他們用hydrogen silsesquioxane覆蓋波導，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?tīng)柛缮鎯x實(shí)現了電光可調諧波導電路，該干涉儀配有定向耦合器和電可調諧移相器。該團隊測試了調制器的高速性能，以評估所構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(guò)程中，研究人員通過(guò)片上Hong-Ou-Mandel實(shí)驗研究了多光子量子干涉的可見(jiàn)性，以測試光子量子信息加工平臺的性能。材料科學(xué)家通過(guò)使用嵌入光子和電子納米結構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)單面光子晶體波導和一個(gè)用于高效光子產(chǎn)生的淺蝕刻波導光柵，以及一個(gè)用于電噪聲抑制和發(fā)射波長(cháng)調諧的異質(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的連續光子，使光子能夠同時(shí)到達芯片。然后，他們將光子導向單光子探測器進(jìn)行符合探測。集成單光子路由器快速光子路由器在光子量子計算中具有重要意義。Sund及其同事通過(guò)旋轉發(fā)射光子流來(lái)利用確定性量子發(fā)射器，用于量子網(wǎng)絡(luò )，以降低光量子計算架構的成本。該研究團隊在鈮酸鋰平臺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)驗裝置中的解復用器包含三個(gè)級聯(lián)在樹(shù)形矩陣網(wǎng)絡(luò )中的快速電光Mach-Zehnder干涉儀開(kāi)關(guān)。整個(gè)實(shí)驗電路顯示了鈮酸鋰在絕緣體平臺上路由量子點(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于實(shí)現光子量子技術(shù)的核心功能至關(guān)重要，如多光子門(mén)和聚變測量，以實(shí)現用于量子計算實(shí)驗或模擬量子模擬的電路。該團隊探索了在絕緣體平臺上進(jìn)行此類(lèi)實(shí)驗的量子點(diǎn)鈮酸鋰的可能性，并實(shí)現了由六個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和十個(gè)相位調制器組成的網(wǎng)絡(luò )設計的干涉儀。然后，科學(xué)家們將實(shí)驗數據的測量分布與理論預測進(jìn)行了比較。

  展  望

  通過(guò)這種方式，Patrik Sund及其同事展示了鈮酸鋰在絕緣體平臺上處理新興固態(tài)確定性源光子的前景。該平臺可以針對可擴展的量子技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。該團隊建議在實(shí)驗過(guò)程中使用折射率更高的包層，以?xún)?yōu)化結果。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)擴展到光子納米結構之外的途徑，以實(shí)現大規模容錯光子量子計算。

信息來(lái)源：Science