量子發(fā)射驅(qū)動的高速薄膜鈮酸鋰量子處理器

圖：片上量子干涉的測量實驗裝置示意圖。

  可擴展的光子量子計算體系結(jié)構(gòu)需要光子處理設備。這樣的平臺依賴于低損耗、高速、可重新配置的電路。最近發(fā)表在Science Advances上的文章中，一個研究團隊開發(fā)了一種具有薄膜鈮酸鋰的集成光子平臺?？茖W家們利用納米光子波導中的量子點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，并在高速電路上實驗實現(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，通過將集成光子學與固態(tài)確定性光子源相結(jié)合，可擴展量子技術(shù)的發(fā)展。

  集成光子學量子技術(shù)的進展

  量子技術(shù)在過去幾年中不斷進步，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，在各種實際應用中大規(guī)模調(diào)節(jié)量子系統(tǒng)以及形成容錯量子技術(shù)都具有挑戰(zhàn)性。光子學提供了一個很有前途的平臺，可以為長程量子網(wǎng)絡提供可擴展的量子硬件，該網(wǎng)絡具有跨多個量子設備的互連和用于量子計算和模擬實驗的光子電路。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。研究人員最近開發(fā)了量子點等固態(tài)量子發(fā)射器，作為近理想、高效的不可區(qū)分光子源，以實現(xiàn)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及其同事專注于在二氧化硅絕緣襯底上結(jié)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發(fā)。他們通過使用電路來調(diào)節(jié)和促進量子點單光子源發(fā)射的光的量子態(tài)的功能來實現(xiàn)這一點。該團隊將波導集成量子點源發(fā)射的單光子注入鈮酸鋰光學電路，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及其同事說明了用于在絕緣體波導上實現(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現(xiàn)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耦合到單模光纖，以提高耦合效率。用馬赫-曾德爾干涉儀實現(xiàn)了電光可調(diào)諧波導電路，該干涉儀配有定向耦合器和電可調(diào)諧移相器。該團隊測試了調(diào)制器的高速性能，以評估所構(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實驗研究了多光子量子干涉的可見性，以測試光子量子信息加工平臺的性能。材料科學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產(chǎn)生單光子。該器件包含一個單面光子晶體波導和一個用于高效光子產(chǎn)生的淺蝕刻波導光柵，以及一個用于電噪聲抑制和發(fā)射波長調(diào)諧的異質(zhì)二極管。科學家們從量子點發(fā)射的單光子流中創(chuàng)建了雙光子輸入狀態(tài)，同時使用芯片外多路分解器分離成對的連續(xù)光子，使光子能夠同時到達芯片。然后，他們將光子導向單光子探測器進行符合探測。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，以降低光量子計算架構(gòu)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發(fā)射光子的片上光子路由器。實驗裝置中的解復用器包含三個級聯(lián)在樹形矩陣網(wǎng)絡中的快速電光Mach-Zehnder干涉儀開關(guān)。整個實驗電路顯示了鈮酸鋰在絕緣體平臺上路由量子點產(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量，以實現(xiàn)用于量子計算實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行此類實驗的量子點鈮酸鋰的可能性，并實現(xiàn)了由六個馬赫-曾德爾干涉儀和十個相位調(diào)制器組成的網(wǎng)絡設計的干涉儀。然后，科學家們將實驗數(shù)據(jù)的測量分布與理論預測進行了比較。

  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)進行進一步優(yōu)化。該團隊建議在實驗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)擴展到光子納米結(jié)構(gòu)之外的途徑，以實現(xiàn)大規(guī)模容錯光子量子計算。

信息來源：Science