渐进式量子跃迁--由量子发射器驱动的高速、薄膜铌酸锂量子处理器

片上量子干扰的测量。(A) 实验装置的示意图。由QD SPS产生的光子被送入一个由共振增强EOM和偏振分光器（PBS）组成的双模式解复用器。这些光子随后被收集到光纤中，并通过光纤阵列注入LNOI芯片。控制其中一个解复用器臂的延迟可以确保光子对同时到达设备，而光纤偏振控制器被用来优化对TE模式的耦合。输出的光子通过同一个光纤阵列被收集，并被送到SNSPD进行重合检测。插图：使用的MZI装置的图像。(B) 在零时间延迟下记录的重合数据（插图中的红色阴影区域），用于不同的应用电压。观察到的HOM条纹的最小值和最大值分别对应于jmin = π/2 + kπ和jmax = kπ的应用相位，k为整数。误差条是根据泊松统计估计的，比数据点要小。量子干扰的HOM可见度由曲线拟合（橙色线）确定为92.7 ± 0.7%。插图： 三种不同应用电压的重合直方图。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg7268
 

可扩展的光子量子计算架构需要光子处理设备。这种平台依赖于低损耗、高速、可重构的电路和近乎决定性的资源状态发生器。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，哥本哈根大学混合量子网络中心的Patrik Sund和明斯特大学的一个研究小组开发了一个带有铌酸锂薄膜的集成光子平台。科学家们将该平台与使用纳米光子波导中的量子点的确定性固态单光子源整合起来。

他们在低损耗电路内以几千兆赫的速度处理生成的光子，并通过实验在高速电路上实现了各种关键的光子量子信息处理功能；具有开发四模式通用光子电路的内在关键特征。这些结果说明，通过融合集成光子学和固态确定性光子源，发展可扩展的量子技术是一个很有前景的方向。

集成光子学在量子技术方面的进展
 

在过去的几年中，量子技术已经逐步进步，使量子硬件能够与经典的超级计算机竞争并超越其能力。然而，为各种实际应用大规模调节量子系统，同时形成容错的量子技术，这是一个挑战。

光子学提供了一个很有前景的平台，可以解锁可扩展的量子硬件，用于长距离的量子网络，具有跨越多个量子设备和光子电路的互连，用于量子计算和模拟实验。高质量的光子状态和快速、低损耗的可编程电路是光子量子技术的中心思想的基础，以路由和处理应用。研究人员最近开发了固态量子发射器，如量子点，作为近乎理想的、高效率的无差别光子源，实现按需单光子源。

该平台的概述。(A和B）设计的波导几何原理图，为量子发射器λ≃940nm工作波长量身定做，用于（A）弯管和定向耦合器中使用的SM波导，以及（B）多模直波导。彩色编码的是基本TE波导模式的场强。(C)测量的制造的光栅耦合器的耦合效率是输入激光波长的函数，其峰值效率为-3.4dB。插图是耦合器的扫描电子显微镜图像。(D)电可调谐MZI的光学显微镜图像。(E) 电光移相器的横截面示意图。(F) 用VNA测量的MZI的调制带宽。数据显示在大约6.5GHz处有一个3dB的截止点。插图，测量中使用的装置示意图。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

光子量子信息处理

在这项研究中，Sund和他的同事专注于粘结在二氧化硅绝缘衬底上的单晶铌酸锂薄膜，由于其强大的电-光性能、高透明度和高指数对比度，是一个很有前途的平台。由于这些材料的透明度范围不同，它们很适合与各种固态量子发射器一起使用，并能在低温下发挥作用。

在这项工作中，该团队首次描述了用于单光子水平的量子信息处理的绝缘体上多模铌酸锂电路的发展。他们通过使用电路来调节和促进从量子点单光子源发射的光的量子状态的功能来实现这一目标。该团队将波导集成的量子点源发射的单光子注入铌酸锂光路，以展示光子量子信息处理所蕴含的关键功能，如可重构的通用单元电路上的多光子干扰。

多模高速集成电路中的光子处理。(A) 芯片的光学图像。光子路由器结构以蓝色突出显示，4×4通用干涉仪以橙色突出显示。(B) 用于对QD产生的单光子流进行主动1×4解复用的实验装置示意图。光子使用光纤阵列直接耦合进出芯片，它们的到达时间通过SNSPD和时间标记器进行记录。快速电气控制是通过一个函数发生器（FG）进行的，该函数发生器通过一个探针站连接到调制器上，其中一个通道用于单独处理第一层的MZI，另一个通道被分割成两个平行的MZI来驱动。(C) 在一个四光子序列的时间间隔内，四个输出波导的归一化光子计数。(D) 相关的脉冲序列，相应的开关网络配置显示为插图。(E) 通用4×4干涉仪的实验装置示意图。使用的10个高速调制器通过一个探针站进行电气连接，并由一个多通道函数发生器驱动。(F和G）实验数据（上）和估计的理论（下）无碰撞输入输出概率分布，当对干涉仪进行编程以实现近似的互换矩阵（F）和随机的单元矩阵（G）时，估计的统计保真度分别为96.3%和95.5%。水平指数表示第一和第二光子的模式指数方面的输入配置，而颜色则对应于输出配置。虚线分隔了不同的输入配置。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

集成光子平台
 

Sund及其同事说明了用于实现绝缘体上单模铌酸锂波导的几何形状。他们通过电子束平版印刷和氩气蚀刻在硅基上的铌酸锂薄膜上实现了光路的肋骨波导。

在蚀刻之后，他们用硅氧烷氢层包覆波导，并将光子集成电路与单模光纤进行光学耦合，以提高耦合效率，实现快速光开关和电路与光纤的主动对接。材料科学家和工程师用一个带有定向耦合器和电调相位器的马赫-泽恩德干涉仪实现了电-光可调谐波导电路。该团队测试了调制器的高速性能，以评估构建的光子集成电路的能力。

片上量子干扰

在光子量子信息处理过程中，研究人员通过片上Hong-Ou-Mandel实验研究了多光子量子干扰的可见性，以测试光子量子信息处理平台的性能。材料科学家们通过使用嵌入光子和电子纳米结构的自组装砷化铟量子点来产生单光子。

该装置包含一个单面光子晶体波导和一个浅蚀波导光栅，用于高效的光子生成，同时还有一个用于电噪声抑制和发射波长调整的异质二极管。科学家们从量子点发射的单光子流中创造了一个双光子输入状态，同时使用一个片外解复用器来分离成对的连续光子，允许光子同时到达芯片上。然后他们把光子引向单光子探测器，进行重合检测。

波导传播损耗的测量。 a 光学显微镜图片显示了用于估计LNOI波导传播损耗的一组螺旋线。数据被归一化为由短波导连接的两个光栅耦合器组成的参考装置的传输。红线是对实验数据的线性拟合（在对数尺度上）。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

集成的单光子路由器

快速光子路由器在光子量子计算中意义重大，它们可以安装多种模式，用于近似确定性功能的复用方案。Sund及其同事通过旋转发射的光子流来利用确定性的量子发射器来实现网络方案，以降低光子量子计算架构的成本。

研究小组在铌酸锂平台上集成了快速移相器，并为量子点发射的光子展示了片上光子路由器。实验装置中的解复用器包含三个在树形矩阵网络中级联的快速电光马赫泽恩干涉仪开关。整个实验电路显示了铌酸锂在绝缘体平台上用于引导量子点产生的光子的巨大潜力。

完整的实验装置示意图。A. 用于在双模和四模干涉仪中进行双光子干涉测量的实验装置示意图。光学系统： 一个工作频率为72MHz的脉冲激光器被用来驱动一个量子点（QD）单光子源，产生一个单光子流，它被送入一个由电光调制器（EOM）和偏振分光器（PBS）组成的双模式解复用器。解复用器将随后发射的光子分成两种模式，其中一种模式被延迟，从而使光子同步化。同步的光子随后通过光纤阵列（FA）和片上光栅耦合器发送到芯片上，并从不同的光栅耦合器中提取，耦合到同一个光纤阵列。输出的光子用超导纳米线单光子探测器（SNSPD）检测，到达时间被记录在一个时间记录器（TT）上。电子技术： 脉冲激光的一部分用分光器分割出来，用光电二极管（PD）测量。由此产生的时钟信号被用来触发EOM。一个函数发生器（FG）被用来用交流信号驱动调制器，一个同步信号被发送到TT，以允许控制信号和单光子检测事件之间的重合测量。B. 用于对量子点（QD）单光子源产生的单光子流进行主动1×4解复用的实验装置示意图。光学系统： 一个以72MHz操作的脉冲激光器被用来驱动一个QD单光子源，产生一个单光子流。光子流通过光纤阵列（FA）和片上光栅耦合器直接进入芯片，并从同一光纤阵列的不同光栅耦合器中提取输出光子。这些输出光子使用超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行检测，并将到达时间记录在一个时间记录器（TT）上。电子学： 脉冲激光的一部分用分光器分割出来，用光电二极管（PD）测量。该时钟信号的一部分使用现场可编程门阵列（FPGA）进行下采样，并用于触发任意波形发生器（AWG）上重复率为∼5MHz的方波。这个5兆赫的信号被用来触发一个函数发生器（FG），它驱动片上解复用器结构中的调制器。来自FG的同步信号和来自PD的另一部分时钟信号被送入一个时间转换器，以实现输入光子时钟信号、电子控制信号和单光子检测事件之间的重合检测。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

通用四模式干涉仪

具有可编程组件的多模量子光子干涉仪对于实现光子量子技术的核心功能至关重要，如多光子门和融合测量，以实现量子计算实验的电路或模拟量子模拟。该团队探索了绝缘体平台上的量子点-铌酸锂用于这类实验的可能性，并实施了一个由六个马赫泽恩德干涉仪和十个相位调制器组成的网络的干涉仪。然后，科学家们将实验数据的测量分布与理论预测进行了比较。

展望

通过这种方式，Patrik Sund及其同事展示了绝缘体上的铌酸锂平台处理来自新兴固态确定性光源的光子的前景。该平台可以进一步优化为可扩展的量子技术。

该团队建议在实验过程中使用具有更高折射率的包层，以获得优化的结果。高速绝缘体上的铌酸锂量子处理器提供了一条超越光子纳米结构的量子光子技术的扩展路线--实现大规模的容错光子量子计算。

更多资料：Patrik I. Sund et al, High-speed thin-film lithium niobate quantum processor driven by a solid-state quantum emitter, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

Han-Sen Zhong et al, Quantum computational advantage using photons, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abe8770