劃重點(diǎn)
01漢諾威萊布尼茨大學(xué)、特溫特大學(xué)和初創(chuàng)公司 QuiX Quantum 的國際研究團(tuán)隊(duì)展示了芯片上完全集成的糾纏量子光源。
02該光源由三個(gè)主要組件組成：產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的非線性介質(zhì)、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(shù)，該團(tuán)隊(duì)將磷化銦激光器與氮化硅濾波器結(jié)合在單個(gè)芯片上，使光源尺寸縮小成為可能。
04該技術(shù)適用于量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗梢詫⒐庠闯叽缈s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(qiáng)大的量子器件開辟了道路。
以上內(nèi)容由騰訊混元大模型生成，僅供參考
量子技術(shù)再獲突破
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫2024-09-28 12:16
本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自embedded
利用集成糾纏光源擴(kuò)展量子計(jì)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(xué)、特溫特大學(xué)和初創(chuàng)公司 QuiX Quantum 的國際研究團(tuán)隊(duì)展示了芯片上完全集成的糾纏量子光源。這一突破標(biāo)志著量子技術(shù)可擴(kuò)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(shè)備中。該科學(xué)研究已發(fā)表在《自然光子學(xué)》上。
片上量子光源由三個(gè)主要組件組成：產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的非線性介質(zhì)、激光器和保證一定頻帶內(nèi)激光穩(wěn)定性的濾波器。
上述團(tuán)隊(duì)使用這種布局制作了一個(gè)量子光源，該光源具有一個(gè)激光腔、一個(gè)使用 Vernier 效應(yīng)的高效 (>55 dB) 可調(diào)噪聲抑制濾波器和一個(gè)非線性微環(huán)介質(zhì)，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(duì)。該光源可以以驚人的 ~620 Hz 速率檢測光子對(duì)，并且具有 ~80 的高巧合/意外比率。
一種新穎的混合技術(shù)將磷化銦激光器與氮化硅濾波器結(jié)合在單個(gè)芯片上，使光源尺寸縮小成為可能。該技術(shù)適用于量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗梢詫⒐庠闯叽缈s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(lǐng)域的應(yīng)用。盡管存在這些障礙，但他們還是通過一種新的芯片架構(gòu)和各種連接平臺(tái)克服了這些障礙。
可見度高達(dá) 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(shí)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(dá) 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(jì)算直接相關(guān)的量子理論的基本思想。疊加是指一個(gè)粒子能夠同時(shí)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(guān)聯(lián)的現(xiàn)象；干涉是指粒子可以相互增強(qiáng)或抵消的現(xiàn)象。量子光源產(chǎn)生量子計(jì)算機(jī)和量子網(wǎng)絡(luò)的基本組件，即量子比特。光子量子比特相對(duì)于其他形式的量子比特（包括基于超導(dǎo)設(shè)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(huì)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(shí)涉及多個(gè)量子比特的計(jì)算的必要步驟。改進(jìn)基于光的量子計(jì)算機(jī)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(dǎo)中傳播。
量子技術(shù)開發(fā)能夠大規(guī)模生產(chǎn)的全集成量子處理器是量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建中最棘手的障礙之一。捕獲離子量子比特通常由單獨(dú)的激光束控制，需要精確對(duì)準(zhǔn)，但當(dāng)量子比特?cái)?shù)量增加時(shí)，這種方法就變得不切實(shí)際了。
通過啟用數(shù)十甚至數(shù)百萬個(gè)量子比特，未來的量子設(shè)備將尋求降低量子計(jì)算機(jī)的復(fù)雜性，從而提高可擴(kuò)展性。離子阱量子計(jì)算機(jī)通過庫侖相互作用，使用單個(gè)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(chǎn)生改變電子狀態(tài)的量子門。
將這些量子比特的芯片級(jí)控制結(jié)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(huì)造成錯(cuò)誤，而且很難結(jié)合起來。
頻率糾纏光子對(duì)的激光集成光子量子光源
設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)解決了量子光子學(xué)中的許多重要問題。光源是混合集成 III-V 反射半導(dǎo)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(chǎn)生約 1,550 nm 的增益。使用 III-V 波導(dǎo)和 Si3N4 波導(dǎo)之間的粘合劑粘合，光學(xué)系統(tǒng)擁有完美的對(duì)準(zhǔn)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(dǎo)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(zhì)量。此外，Si3N4 的低損耗和強(qiáng)非線性折射率有助于實(shí)現(xiàn)高功率操作和有效的光子產(chǎn)生。為了確保量子應(yīng)用的最佳性能，該裝置還包括微環(huán)諧振器 (MRR)，以改善信號(hào)傳輸和光子對(duì)生成。
Si3N4 反饋電路包括多個(gè)微環(huán)諧振器 (MRR)，其設(shè)計(jì)基于游標(biāo)效應(yīng)。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(jìn)行熱調(diào)諧，因此可以精確控制反饋機(jī)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(jié)合，構(gòu)成了激光腔的鏡子。模式匹配經(jīng)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(shí)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(qiáng)了混合量子源的噪聲抑制能力。
該設(shè)計(jì)最獨(dú)特的特點(diǎn)之一是信號(hào)光子和閑置光子對(duì)的差分提取效率，這些光子和閑置光子對(duì)是通過 MRR 中的自發(fā)四波混頻 (SFWM) 產(chǎn)生的。該設(shè)計(jì)保證了非經(jīng)典光子對(duì)的幾乎 100% 提取率，同時(shí)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(hào)質(zhì)量。
微環(huán)設(shè)計(jì)和 Q 因子調(diào)節(jié)對(duì)于系統(tǒng)性能非常重要，因?yàn)樗鼈兤胶饬讼喔砷L度、光子對(duì)產(chǎn)生速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。該系統(tǒng)是量子通信和計(jì)算應(yīng)用的完美選擇，因?yàn)樽屑?xì)調(diào)節(jié)耦合系數(shù)和熱效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)高相干時(shí)間和最小損耗。
這種完全集成的方法可以實(shí)現(xiàn)少量且可重復(fù)的糾纏光子供應(yīng)，可用于實(shí)際用途，標(biāo)志著朝著可擴(kuò)展量子技術(shù)邁出了重要一步。作為下一代量子通信和計(jì)算系統(tǒng)的有力競爭者，光子對(duì)生成率和巧合與意外比率 (CAR) 可與其他平臺(tái)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(qiáng)大的量子器件開辟了道路，從而推動(dòng)了量子信息處理科學(xué)的發(fā)展。
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