劃重點
01漢諾威萊布尼茨大學、特溫特大學和初創(chuàng)公司 QuiX Quantum 的國際研究團隊展示了芯片上完全集成的糾纏量子光源。
02該光源由三個主要組件組成：產生糾纏光子對的非線性介質、激光器和濾波器，具有高巧合/意外比率。
03通過新穎的混合技術，該團隊將磷化銦激光器與氮化硅濾波器結合在單個芯片上，使光源尺寸縮小成為可能。
04該技術適用于量子計算和量子網絡，因為它可以將光源尺寸縮小1,000多倍。
05此次突破克服了量子光子系統(tǒng)的傳統(tǒng)限制，為更易獲得、更強大的量子器件開辟了道路。
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量子技術再獲突破
半導體產業(yè)縱橫2024-09-28 12:16
本文由半導體產業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自embedded
利用集成糾纏光源擴展量子計算，克服了量子光子系統(tǒng)的傳統(tǒng)限制。
近日，漢諾威萊布尼茨大學、特溫特大學和初創(chuàng)公司 QuiX Quantum 的國際研究團隊展示了芯片上完全集成的糾纏量子光源。這一突破標志著量子技術可擴展性邁出了重要一步，使量子光源能夠集成到穩(wěn)定、小型的設備中。該科學研究已發(fā)表在《自然光子學》上。
片上量子光源由三個主要組件組成：產生糾纏光子對的非線性介質、激光器和保證一定頻帶內激光穩(wěn)定性的濾波器。
上述團隊使用這種布局制作了一個量子光源，該光源具有一個激光腔、一個使用 Vernier 效應的高效 (>55 dB) 可調噪聲抑制濾波器和一個非線性微環(huán)介質，用于在電信帶寬（帶寬約為 1 THz）的四種諧振模式下自然混合光子對。該光源可以以驚人的 ~620 Hz 速率檢測光子對，并且具有 ~80 的高巧合/意外比率。
一種新穎的混合技術將磷化銦激光器與氮化硅濾波器結合在單個芯片上，使光源尺寸縮小成為可能。該技術適用于量子計算和量子網絡，因為它可以將光源尺寸縮小 1,000 多倍。研究人員聲稱，直到最近，量子光源仍需要外部和大型激光系統(tǒng)，這阻礙了它們在該領域的應用。盡管存在這些障礙，但他們還是通過一種新的芯片架構和各種連接平臺克服了這些障礙。
可見度高達 96%的量子干涉測量和狀態(tài)層析成像的密度矩陣重建均證實源直接生成具有高頻密度的糾纏量子態(tài)（量子比特）。這可使保真度高達 99%。
光子量子比特：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)疊加、糾纏和干涉是與量子計算直接相關的量子理論的基本思想。疊加是指一個粒子能夠同時存在于幾種狀態(tài)中；糾纏是指粒子即使在物理距離上也可能相互關聯(lián)的現(xiàn)象；干涉是指粒子可以相互增強或抵消的現(xiàn)象。量子光源產生量子計算機和量子網絡的基本組件，即量子比特。光子量子比特相對于其他形式的量子比特（包括基于超導設備或捕獲原子的量子比特）具有多種優(yōu)勢。例如，光子量子比特不易受到環(huán)境噪聲的影響（環(huán)境噪聲可能會破壞脆弱的量子系統(tǒng)），并且不需要冷卻到低溫。
但光子量子比特更容易泄漏，因此更難糾纏這是同時涉及多個量子比特的計算的必要步驟。改進基于光的量子計算機需要光子集成即將光子限制在蝕刻在電路上的微米寬波導中傳播。
量子技術開發(fā)能夠大規(guī)模生產的全集成量子處理器是量子計算機構建中最棘手的障礙之一。捕獲離子量子比特通常由單獨的激光束控制，需要精確對準，但當量子比特數(shù)量增加時，這種方法就變得不切實際了。
通過啟用數(shù)十甚至數(shù)百萬個量子比特，未來的量子設備將尋求降低量子計算機的復雜性，從而提高可擴展性。離子阱量子計算機通過庫侖相互作用，使用單個原子作為量子比特，電離后帶正電荷。電磁場將這些原子排列成晶格圖案，而激光則產生改變電子狀態(tài)的量子門。
將這些量子比特的芯片級控制結合起來是最大的困難。雖然它們是常規(guī)工具，但激光可能會造成錯誤，而且很難結合起來。
頻率糾纏光子對的激光集成光子量子光源
設計該設計解決了量子光子學中的許多重要問題。光源是混合集成 III-V 反射半導體光放大器 (RSOA)，帶有基于氮化硅 (Si3N4) 的反饋電路。由 Fraunhofer HHI 制造的 700 米長的量子阱放大器可產生約 1,550 nm 的增益。使用 III-V 波導和 Si3N4 波導之間的粘合劑粘合，光學系統(tǒng)擁有完美的對準度。為了獲得更好的性能，傾斜面和防反射涂層可減少背向反射。波導反饋電路的集成減少了固有激光線寬并消除了噪聲，從而提高了糾纏光子的穩(wěn)定性和質量。此外，Si3N4 的低損耗和強非線性折射率有助于實現(xiàn)高功率操作和有效的光子產生。為了確保量子應用的最佳性能，該裝置還包括微環(huán)諧振器 (MRR)，以改善信號傳輸和光子對生成。
Si3N4 反饋電路包括多個微環(huán)諧振器 (MRR)，其設計基于游標效應。MRR 的尺寸精確，可確保有效濾波和單模激光操作；選擇環(huán)是為了減少損耗并保持較低的彎曲半徑。電路中還包括電阻加熱器以進行熱調諧，因此可以精確控制反饋機制。
高反射涂層和薩格納克環(huán)路與用于平衡反饋的馬赫-曾德爾干涉儀 (MZI) 相結合，構成了激光腔的鏡子。模式匹配經過優(yōu)化，可最大程度地減少增益芯片、反饋芯片和光纖之間的損耗，通過連接到保偏光纖的提取端口確保最佳效率。Vernier 濾波實現(xiàn)了高邊模抑制比 (SMSR)，顯著降低了放大自發(fā)輻射 (ASE) 噪聲，從而增強了混合量子源的噪聲抑制能力。
該設計最獨特的特點之一是信號光子和閑置光子對的差分提取效率，這些光子和閑置光子對是通過 MRR 中的自發(fā)四波混頻 (SFWM) 產生的。該設計保證了非經典光子對的幾乎 100% 提取率，同時最大限度地減少了輸出端的泵浦光子的存在，從而提高了量子用途的總體信號質量。
微環(huán)設計和 Q 因子調節(jié)對于系統(tǒng)性能非常重要，因為它們平衡了相干長度、光子對產生速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。該系統(tǒng)是量子通信和計算應用的完美選擇，因為仔細調節(jié)耦合系數(shù)和熱效應可實現(xiàn)高相干時間和最小損耗。
這種完全集成的方法可以實現(xiàn)少量且可重復的糾纏光子供應，可用于實際用途，標志著朝著可擴展量子技術邁出了重要一步。作為下一代量子通信和計算系統(tǒng)的有力競爭者，光子對生成率和巧合與意外比率 (CAR) 可與其他平臺相媲美。
這一發(fā)現(xiàn)克服了量子光子系統(tǒng)的傳統(tǒng)限制，為更易獲得、更強大的量子器件開辟了道路，從而推動了量子信息處理科學的發(fā)展。
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