量子发射驱动的高速薄膜铌酸锂量子处理器

图：片上量子干涉的测量实验装置示意图。

  可扩展的光子量子计算体系结构需要光子处理设备。这样的平台依赖于低损耗、高速、可重新配置的电路。最近发表在Science Advances上的文章中，一个研究团队开发了一种具有薄膜铌酸锂的集成光子平台。科学家们利用纳米光子波导中的量子点将该平台与确定性固态单光子源集成在一起。他们在低损耗电路中以几GHz的速度处理产生的光子，并在高速电路上实验实现了各种关键的光子量子信息处理功能;开发出四模式通用光子电路。这些结果表明，通过将集成光子学与固态确定性光子源相结合，可扩展量子技术的发展。

  集成光子学量子技术的进展

  量子技术在过去几年中不断进步，使量子硬件能够与经典超级计算机竞争并超越其能力。然而，在各种实际应用中大规模调节量子系统以及形成容错量子技术都具有挑战性。光子学提供了一个很有前途的平台，可以为长程量子网络提供可扩展的量子硬件，该网络具有跨多个量子设备的互连和用于量子计算和模拟实验的光子电路。高质量的光子态和快速、低损耗的可编程电路是光子量子技术路由和处理应用的核心思想。研究人员最近开发了量子点等固态量子发射器，作为近理想、高效的不可区分光子源，以实现按需单光子源。

图：芯片展示

  光量子信息处理

  在这项研究中，Sund及其同事专注于在二氧化硅绝缘衬底上结合的单晶铌酸锂薄膜，因为它们具有强大的电光性能、高透明度和高折射率对比度，可以形成集成电路，因此是一种很有前途的平台。由于这些材料的透明度范围各不相同，它们非常适合与各种固态量子发射器配合使用，并与低温下的功能兼容。在这项工作中，该团队首次描述了用于单光子水平量子信息处理的绝缘体上多模铌酸锂电路的开发。他们通过使用电路来调节和促进量子点单光子源发射的光的量子态的功能来实现这一点。该团队将波导集成量子点源发射的单光子注入铌酸锂光学电路，以显示光子量子信息处理的关键功能，例如可重新配置的通用酉电路上的多光子干涉。

  集成光子平台

  Sund及其同事说明了用于在绝缘体波导上实现单模铌酸锂的几何结构。他们通过电子束光刻和氩蚀刻在硅上二氧化硅衬底上结合的铌酸锂薄膜上实现了作为脊波导的光路。在蚀刻后，他们用hydrogen silsesquioxane覆盖波导，并将光子集成电路光学耦合到单模光纤，以提高耦合效率。用马赫-曾德尔干涉仪实现了电光可调谐波导电路，该干涉仪配有定向耦合器和电可调谐移相器。该团队测试了调制器的高速性能，以评估所构建的光子集成电路的性能。

  片上量子干涉

  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涉的可见性，以测试光子量子信息加工平台的性能。材料科学家通过使用嵌入光子和电子纳米结构中的自组装砷化铟量子点产生单光子。该器件包含一个单面光子晶体波导和一个用于高效光子产生的浅蚀刻波导光栅，以及一个用于电噪声抑制和发射波长调谐的异质二极管。科学家们从量子点发射的单光子流中创建了双光子输入状态，同时使用芯片外多路分解器分离成对的连续光子，使光子能够同时到达芯片。然后，他们将光子导向单光子探测器进行符合探测。集成单光子路由器快速光子路由器在光子量子计算中具有重要意义。Sund及其同事通过旋转发射光子流来利用确定性量子发射器，用于量子网络，以降低光量子计算架构的成本。该研究团队在铌酸锂平台上集成了快速移相器，并展示了用于量子点发射光子的片上光子路由器。实验装置中的解复用器包含三个级联在树形矩阵网络中的快速电光Mach-Zehnder干涉仪开关。整个实验电路显示了铌酸锂在绝缘体平台上路由量子点产生的光子的潜力。

  通用四模干涉仪

  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，如多光子门和聚变测量，以实现用于量子计算实验或模拟量子模拟的电路。该团队探索了在绝缘体平台上进行此类实验的量子点铌酸锂的可能性，并实现了由六个马赫-曾德尔干涉仪和十个相位调制器组成的网络设计的干涉仪。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及其同事展示了铌酸锂在绝缘体平台上处理新兴固态确定性源光子的前景。该平台可以针对可扩展的量子技术进行进一步优化。该团队建议在实验过程中使用折射率更高的包层，以优化结果。绝缘体上的高速铌酸锂量子处理器提供了一种将量子光子技术扩展到光子纳米结构之外的途径，以实现大规模容错光子量子计算。

信息来源：Science