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硅光子，缘何打造量子科技的下一个十年？

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发布时间：2023-11-23

 

/目·录/

 

一、硅光子技术将率先实现室温、容错量子计算机

二、用于量子科技的硅光子器件

2.1. 单光子源

2.2. 光子探测器

2.3. 波分复用技术

2.4. 低温技术

2.5. 芯片互连

三、可拓展的量子信息应用

3.1. 多光子和高维应用

3.2. 量子纠错

3.3. 量子密钥分发

3.4. 量子隐形传态

四、为什么对硅光子量子计算路线态度乐观？

 

量子计算和现有光网有什么共同之处？光子。

 

没错，这种光的最基本粒子有朝一日可以进行量子计算机最复杂的计算。而它们将通过利用为环绕地球的庞大光纤网络提供动力的相同技术来实现这一目标。

 

光量子计算是令人兴奋的新研究领域之一，它使用光子来表示量子比特——这是量子计算中最基本的信息单位。与只能存储0或1两种值之一的普通比特不同，量子比特可以同时存储多种值。通过将许多光子量子比特组合在一起，光量子计算机有望大大提高计算能力，使得当今经典计算机的数字运算能力望尘莫及。

 

这就是光网络的用武之地。

 

我们用来产生通过光纤在全球范围内传输信息的光波长的激光器，同样可以产生未来光量子计算机所使用的量子比特，并为所有量子计算机提供其他关键组件。现在需要的是一种将这些激光器和探测器直接集成到电子元件中的方法。

 

为了提高量子光学实验的复杂性，光量子系统倾向于使用集成光子电路。与在光学工作台上使用分立光学元件的系统相比，集成光子器件能够在微米/纳米尺度上定位和操纵光子，从而大大提高了量子光学实验的稳定性和可扩展性，并为量子通信、传感和计算应用提供了一种复杂、紧凑的量子光子学方法。因此，这些集成技术将使量子应用走出实验室，进入大规模实际应用。

 

目前，已经开发出了多种光波导材料，如二氧化硅、硅（Si）、氮化硅（SiN）、铌酸锂，以及光刻和激光写入等技术。在这些材料中，硅光子材料因其制备简单、集成密度高、光学性能优异而成为最佳候选材料。由于经典硅光子技术在大规模光子集成电路中的领先地位，硅基器件的性能也得到了迅速提高。

 

 
Xanadu是一家量子计算公司，成立于2016年，总部位于加拿大多伦多，该公司一直在建造基于硅光子芯片的容错计算机。利用光子作为量子比特，Xanadu相信硅光子技术将是实现能够在室温下运行的容错量子计算机的最快途径。
 
 
在11月访问台湾参加由全球半导体联盟主办的2023亚太执行论坛时，Xanadu公司负责硬件的首席技术官扎卡里·弗农（Zachary Vernon）表示：“目前，基于不同原理的量子计算机有多种类型，包括超导量子比特、量子点、离子阱和光子学。所有这些方法之间的竞争肯定都很激烈，你会看到很多方法都是以它们使用的硬件类型来区分的。”他指出，由于这些不同的方法仍处于原型阶段，不同类型的量子计算机适用于不同的近期问题，而所有这些近期问题都与真正的商业应用有些差距。
 
“为了达到这一点，我们需要实现容错和纠错，我们认为光子学将是最先实现这一目标的方法，也是扩展最快的方法”
 
光子学使人们能够用光纤以各种模式将不同的芯片联网，从而获得比超导方法通常所能获得的更好的连接性。弗农表示，由于连接性更好，人们可以获得更好的编码，尤其是量子低密度奇偶校验码（LDPC）。
 
“光子学确实是唯一能够访问它的方法，因为其他方法在其量子比特之间的连通性方面受到很大限制，而光子学可以利用光纤将量子比特路由到你想要的任何地方。”
 
弗农强调说：“我们认为，对于任何从事硅光子制造的人来说，关注量子计算行业是非常重要的。”他指出了硅光子技术的两大优势：可扩展性和室温下的量子计算。
 
硅光子学（SiPh）是在CMOS平台上制造集成光子学的技术，近两年来一直是一个热门词汇，因为该技术前景广阔，可为数据中心提供更快、更安全、更高效的解决方案，而人工智能的传输需求日益增长，数据中心的负担也越来越重。
 
然而，硅光子技术的潜力并不仅限于传统计算和通信领域。现在，用于各种量子应用的硅芯片光子器件已经开发出来：如高效片式光纤耦合器、大规模可编程量子光子电路和单光子探测器等等。
 
硅光子技术可用于创建具有众多独立组件的多功能网络，从而促进对芯片上生成的量子态进行计算。它还可用于特定任务，如生成随机量子数和量子传输。
 
将硅光子学与互补金属氧化物半导体（CMOS）微电子技术相结合，可以开发出用于传感、通信和量子计算等先进应用的紧凑型量子设备。
 
最近的研究表明，将纳米硅光子学与微电子学相结合可提高同调探测器的性能，而同调探测器对于估计量子态和表示量子过程至关重要——这些探测器是为精确测量光而设计的专用硬件。
 
硅光子元件正日益成为引人注目的计算平台，从长远来看，硅光子技术的使用有可能让量子计算机的部署更接近“边缘”。弗农解释说：“从原理上讲，使用光子技术的量子计算机不可能出现在消费类设备中，这并没有什么根本原因，但从根本上讲，这种能力是存在的，因为它们原则上都可以在室温下工作。”
 
“不过，这种应用是否会有实用价值，还需要更多的时间来研究。”
 
 
可扩展的量子信息处理必须尽可能提高单个芯片的复杂性。不同自由度的光子应实现通用量子操作，量子光子源、探测器、逻辑运算等核心功能应提高到高质量并集成在同一芯片上。考虑到芯片尺寸有限和不同材料混合集成的难度，还可以通过高效光互联实现量子通信、分布式量子计算和计量等多功能芯片。
 
因此，我们将硅光子学的最新技术分为两个方面进行回顾：单芯片技术和互连技术。具体包括单光子源、光子检测、波长和模式划分多路复用、单芯片低温技术以及芯片互连技术。
 
1）单光子源
 
可扩展量子光子信息处理需要多个高质量的单光子源。目前，有两种实现近乎确定性单光子源的可行方法：一种是基于概率参数光子对源阵列的复用，另一种是基于固态单光子发射器。
 
硅波导具有很强的三阶非线性响应，可通过自发四波混合过程（SFWM）直接用于制备光子对源。为了提高光子源的质量，人们开发了许多技术，如使用微孔谐振器和引入特殊的相位匹配条件。
 
电信波长的光子源汇总
 
光子对产生后，其中一个光子会被检测到，以预示其“伙伴”的存在。虽然每个光子对源都是概率性的，但多个预示性单光子可以动态切换到一个单一输出模式，从而提高输出概率。光子对的任何自由度都可用于复用，如路径、频率和时间分段。这些自由度还可以结合起来，以倍增方式增加复用模式的数量。
 
如果能大幅减少损耗，就能在硅芯片上利用概率非线性参数过程实现多个近乎确定的单光子源。

在另一种方法中，固态发射器可产生确定的单光子，并可集成或传输到硅光子电路上。由于硅在1100纳米以下是不透明的，因此与硅集成的单光子发射器辐射的光子必须超过这一波长限制。当下，电信波长的多重量子点已经得到证实，其中最常见的是半导体量子点，包括InAsP、InAs/InP和InAs/GaAs。
 
为了将固态发射器与光子波导集成，科学家们还提出了许多方法，如纳米级定位方法。
 
硅光子学中的固态量子发射器。(a) 通过拾放技术在硅光子芯片上定位生长的InAs/InP量子点。(b) 利用基于转移印制的方法集成异质光学元件。(c) G中心的原子结构。(d) 包括G中心在内的硅纳米柱。(e) 用于增强G中心垂直耦合的牛眼结构
 
2）光子探测器
 
光子探测器将光信号转换为电信号，是光量子信息应用的重要组成部分。为了测量挤压光，人们开发了集成在硅上的锗（Ge）光探测器，并在此基础上实现了同调探测器。此外，通过将硅光子技术与集成放大电子技术相结合，已经展示了完整的集成同源探测器，并实现了超过20GHz的射击噪声限制带宽。
 
在单光子级探测方面，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）表现出卓越的性能，如接近统一的系统探测效率、GHz的最大计数率和皮秒级的时间分辨率。SNSPD使用在临界温度以下工作的超导材料。即使只有一个光子命中，其能量也足以激发材料，并随后产生电压脉冲。
 
目前已开发出一系列超导材料，包括NbN、NbTiN、MoSi和WSi。在光纤和SNSPD之间的垂直光学耦合中，光纤端面平行于SNSPD的光敏表面，光子垂直入射到纳米线上。通过优化器件的垂直光学叠层设计以及引导光纤模式与器件有源检测区域的耦合，系统检测效率达到了98%。
 
用于单光子探测的集成 SNSPD。(a) 行波耦合原理。(b) 高质量因子微腔内的SNSPD。(c) 腔内集成SNSPD。(d) 在二维光子晶体腔内实现SNSPD。(e) 典型的单光子探测器链段，用于信号复用和数字解析
 
通常，单光子探测器在盖革模式下工作；也就是说，电信号由读出电路产生，表示检测到一个光子。然而，在许多实验中，最好使用能分辨光子数量的探测器。通过分析光子数与纳米线电阻之间的关系，一个传统的SNSPD实现了多光子检测。此外，由于在超导纳米线上集成了阻抗匹配锥度，探测器的输出振幅对光子数量变得更加敏感。
 
SNSPD的高品质促进了各种新型应用的发展，例如利用光子的量子计算优势、成像和光谱学以及集成量子密钥分发。尽管取得了巨大进步，但 SNSPD 的工作离不开庞大而昂贵的低温系统（<4 K)。
 
其他类型，如硅锗探测器和InGaAs/InP单光子探测器，都是潜在的替代品。除这些传统器件外，基于低维材料的单光子探测技术也正在兴起，并已显示出卓越的性能。
 
集成单光子探测的技术汇总

3）波分复用技术
 
由于对信息处理和通信能力的需求大幅增加，人们一直在努力在单个芯片上编码更多的信息。方法之一就是提高集成密度。目前已开发出更紧凑、间距更窄的设备。
 
例如，利用对称破缺概念，高密度、低串扰的波导超晶格已经得到验证。这一概念还被用于构建双量子比特量子逻辑门，并大大减少了占用空间。另一种方法是通过复用引入新的自由度，包括波分复用（WDM）和模分复用（MDM）。
 
波分复用是一种将不同光波长的信息编码为不同信道的技术。在波分复用系统中，环形谐振器、不平衡MZI、波导布拉格光栅（WBG）和阵列波导光栅（AWG）等结构被用于波长复用和解复用。其中，512信道密集波分复用、信道间距低至17GHz以及与探测器的混合集成已得到证实。
 
虽然没有采用硅光子技术，但在集成光子电路上使用波分复用技术进行高速量子密钥分发的报道也已见诸报端。
 
硅光子学中的波分复用技术。(a) 级联马赫-曾德尔解复用器。(b) 集成阵列波导光栅的波分复用接收器芯片。(c) 耦合五环硅滤波器。(d) 波导布拉格光栅加减滤波器
 
模分复用（MDM）是一种新兴技术，它利用多模波导的高阶横向波导模式来编码更多信息。由于多模波导仍支持多个波长，因此该技术与波分复用技术兼容，可进一步提高信道容量。目前，已开发出各种多模硅光子器件，用于在MDM系统中通过多模通道实现低损耗、低串扰的光操控，如模式（去）多路复用器、光栅耦合器、高速开关、波导急弯和模式无关交叉（mode-independent crossing）。
 
硅光子学中的模分复用技术。(a) 具有绝热锥度的模式（去）多路复用器。(b) 模式（去）多路复用器。(c) 利用基于超材料的麦克斯韦鱼眼透镜实现多端口多模波导交叉。(d) 基于数字元结构的多模弯曲。(e) 高速光学双模开关。(f) 用于混合波长/模式分复用系统的可重构光分插复用器
 
4）低温技术
 
量子光子集成电路的大规模扩展要求在单个芯片上集成所有功能，包括量子光子源、状态操纵和光子检测。由于常见的高效SNSPD必须在低温（例如 2 K）条件下工作，因此量子光子源和状态操纵过程也应在相同的温度条件下进行。
 
此外，在量子网络中，与其他量子系统（如半导体和超导量子计算系统）的光学接口也必须在低温条件下运行整个系统。
 
虽然无源光学元件通常可以在低温下直接使用，但有源元件和非线性过程的实现一直是一个突出的挑战。目前，用于环境条件下量子光子芯片的量子态操纵结构一般都是基于热光学效应。然而，硅的热光学系数在低温下会显著降低。特别是当温度为几开尔文时，热光学系数比室温时低四个数量级，这使得热光调制器难以工作。另一个问题是，随着温度的降低，冷却系统的可用冷却能力也会降低。因此，在低温条件下工作的调制器应保持极低的功耗和发热量。
 
迄今为止，已有一些关于利用硅光子技术进行低温调制的研究。尽管取得了一些进展，但这些调制器件仍处于初步研究阶段，在量子信息研究中的相关应用尚未得到证实。
 
温下的硅光子调制器。(a) 等离子体色散微盘调制器。(b) BaTiO3-硅赛道谐振器。(c) 集成PIN结调制器和由该调制器组成的不平衡马赫-曾德尔干涉仪
 
除低温调制外，一些关于硅光子学中低温非线性过程的研究也有报道。
 
5）芯片互连
 
芯片互连在构建大规模量子网络中发挥着关键作用。在光子量子技术中，芯片互连需要在不同光学元件之间高效传输光信号。然而，由于光纤和硅波导等不同组件之间的有效模式尺寸不匹配，因此需要特殊的耦合结构。
 
硅光子学中的芯片互连技术。(a) 基于衍射光栅的耦合结构。(b) 聚焦光栅。(c) 双蚀刻光栅波导光栅耦合器。(d) 带有单面铝质背面反射镜的光栅耦合器。(e) 作为末端耦合器的模式尺寸转换器。(f) 耦合器结构。(g) 光纤端面上的3D打印光学探针。(h) 通过光子线键连接的光纤纤芯和不同的硅波导。(i) 原位三维纳米打印自由形态透镜和扩张器
 
 
经过几十年的发展，硅光子技术在量子计算、量子模拟、量子通信和计量学方面取得了一系列重大进展。近年来，它们在量子信息处理的扩展应用中，包括单芯片上的多光子、高维应用和量子纠错，以及芯片间的量子密钥分发和隐形传态等方面，都具有不可替代的价值。
 
1）多光子和高维应用
 
假设一个系统包含𝑛个光子，系统容量为𝑚维，则系统容量为𝑛𝑚。因此，增加光子数量将成倍提高系统容量，这一点至关重要。虽然可以在同一芯片上集成多个固态量子发射器并产生多个确定的单光子，但控制发射器以确保光子之间的不可分性仍然是一大难题。通过多路复用技术，单个发射器也能产生多个相同的光子和复杂的量子态；然而，在芯片上集成多路复用元件仍然存在困难。
 
作为一种替代方法，SFWM可以直接在单个芯片上产生多个光子；近年来，该领域的相关工作取得了很大进展。
 
硅光子器件的多光子和高维应用。(a) 生成和采样量子态的硅光子芯片。(b) 两个光源的相干抽运和发射光子的处理。(c) 基于多芯光纤的片到片高维量子密钥分发。(d) 用于多维量子纠缠的硅器件。(e) 基于量子比特的可编程量子处理器
 
高维编码是实现更大系统容量的另一种可行方法。此外，它还显示出许多独特的量子特性，并能改善特定应用，如量子通信中更高的容量和噪声鲁棒性，以及量子计算中更高的效率和灵活性。在集成芯片上，许多自由度可用于高维编码，如路径、横模、频率和时间分段。其中，路径编码因其易于实现而最为常见。利用片上分束器和马赫-曾德尔干涉仪，光子可以在多条路径上进行传输和操作。耦合波导阵列还可用于构建所需的动态演化哈密顿，用于研究量子行走、玻色子采样和量子模拟。
 
尽管路径不同，但其他自由度在提高系统容量方面也有优势。例如，集成光子源总是有多个频率，而波导横模则是实现并行编码的一种紧凑方式；此外，同时使用量子粒子的多个自由度也很有效；片上转换设备的开发将大大增加这些自由度的应用前景。

2）量子纠错
 
尽管量子信息处理器具有许多天然优势，但它仍面临一个基本困难，那就是错误。当逻辑运算与量子比特错误率的乘积达到一定程度时，逻辑运算将失去可靠性。同时，由于量子不可克隆定理，量子比特不能被复制、不可能像经典处理器那样通过重复消除错误。
 
因此，有效的量子纠错是实现现实量子处理器的必要步骤。在光量子技术中，光子损耗、量子态质量和不完善的逻辑运算都是错误的来源。人们开发了各种方案来提高光子的容错能力，例如努力减少制造缺陷，以获得高性能的光学元件。迄今为止，硅光子芯片上的拓扑量子光源和量子干涉过程已经得到证实。
 
硅光子器件纠错
 
3）量子密钥分发
 
在量子力学定律的指导下，量子密钥分发（QKD）旨在以绝对安全的方式在发送方和接收方之间共享信息。经过几十年的发展，QKD正在成为量子网络的基石，目前已开发出许多量子编码协议，如BB84、双态和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森协议。
 
使用硅光子器件的量子密钥分发（QKD）。(a) time-bin编码BB84的集成器件。(b) 用于与测量设备无关的高速QKD的集成器件。(c) 带有高速电光相位调制器的硅光子编码器。(d) 集成探测器的片上QKD接收器
 
随着这些技术的进步，利用集成硅光子器件实现了不同的密钥分发协议，如BB84、连续可变和测量设备无关。

4）量子隐形传态
 
量子隐形传态旨在将粒子的量子态转移到另一个粒子上，而不是其自身。作为一种新的通信方式，该技术借助量子纠缠传输量子态中携带的量子信息，并构成可扩展量子网络和分布式量子计算的基础。
 
它涉及三个粒子（A、B、C），我们假设粒子B和C是贝尔纠缠的。通过A和C之间的贝尔态测量，粒子A的量子态可以传输到粒子B。有了量子隐形传态，就可以通过使用大量级联门来有效地扩展线性光量子信息处理器。
 
当然，硅波导也可以实现量子隐形传态过程。特别是，硅波导中的强SFWM可以直接用于操纵多光子纠缠量子态。在验证隐形传态过程之前，通过路径偏振互转将获得量子态的光子传输到另一个具有量子光子互连的芯片上，并通过状态层析测量重建量子态。
 
这一成果为通信和计算领域的大规模集成光子量子技术奠定了基础。
 
硅光子器件的量子隐形传态
 
 
 
不知可否的是，硅光子学正在成为量子计算领域的一项关键技术，具有众多优势，使其成为研究人员和行业专业人士的有吸引力的选择。尽管取得了上述进展，但要实现可扩展的量子信息应用，还需要在某些领域做出进一步改进：
 
1）低损耗组件
 
损耗是光量子集成系统面临的巨大挑战，包括无源结构、延迟线、开关和芯片互连的损耗。在光量子技术路线中，氮化硅和铌酸锂也是两个极为重要的新兴平台；由于有效模式面积较小，硅的损耗比其他材料更为突出。
 
虽然基于侧壁平滑技术，已经证明了0.08 dB/m的低传输损耗，但很难应用于具有普通带状波导的波导结构。多模波导技术以及与二氧化硅或氮化硅的混合可实现下一代超低损耗元件。
 
2）光子生成
 
对于参量光子源而言，硅波导在1550 nm波长处有很强的双光子吸收，仅靠增加泵浦功率很难提高光子源的亮度；此外，光子源的特性相对较差，尤其是在多光子干涉方面。
 
能够大规模扩展、高亮度的光子源仍在路上。将光子扩展到硅具有低双光子吸收的远红外波段是一种可能的方法。另一种可能的解决方案是开发与其他非线性特性更好的材料混合的集成硅芯片，如氮化硅（已证明可制备数十个光子）和铌酸锂（具有很强的二阶非线性响应）。
 
因此，现在必须解决光子源的随机性问题，并将多路复用光子源、长时延和高速调制完全集成在同一芯片上。对于确定性单光子源，应开发调制技术以提高不同光子源之间的不可分性。
 
3）确定性量子操作
 
可忽略的光子-光子相互作用限制了许多基于光子的方案的适用性。为克服这一限制，应将多路复用光子源和基于辅助光子预示检测的前馈能力完全集成在同一芯片上。芯片中必须引入原子等强非线性介质，以增强光子-光子相互作用，从而建立确定性的多光子门。
 
4）频率转换
 
高效的频率转换将连接各种量子系统，从而建立量子网络，例如微波波长与电信C波段之间的光子转换。单光子层面的高效转换将使我们能够利用不同的系统，即使它们相距甚远。
 
总之，令人瞠目的开销一去不复返，无论实验前沿取得多大进展，这些开销都将永远注定硅光量子计算只能是一种知识好奇心。尽管取得了这些进展，但很显然，理论家们仍需解决大量对架构的潜在重大简化问题。
 
当下，
计算的未来仍然悬而未决；
鉴于量子计算的战略意义，
一场全球竞赛已经展开。
 
我们见证了用于量子信息处理的硅光子设备的巨大进步，光子源以及量子态操纵和探测都可以集成在芯片上、并有望在同一芯片上实现，集成的可编程多光子和高维量子信息处理器也已得到展示。随着制造技术的进一步提升，硅光子技术在量子信息处理领域将有更广阔的前景。
 
当然，硅光子器件仍然面临着材料本身的诸多缺陷，未来的量子信息处理器极有可能是各种材料混合提升到极致的产物。尽管面临挑战，我们仍然相信硅光子技术将发挥重要作用。
 
参考链接（上下滑动查看更多）：

[1]https://www.newscientist.com/article/2352236-lasers-used-to-throw-and-catch-single-atoms-for-first-time/

[2]https://www.bell-labs.com/institute/blog/putting-light-on-a-chip-how-lasers-will-advance-quantum-computing-neural-networks-and-more/#gref

[3]https://www.digitimes.com/news/a20231116VL209/xanadu-silicon-photonics-canada-quantum-computing.html

[4]https://www.datacenterdynamics.com/en/analysis/quantum-computers-face-a-laser-challenge/

[5]https://ts2.space/en/the-growing-importance-of-silicon-photonics-in-quantum-computing/#gsc.tab=0

[6]https://pubs.aip.org/aip/app/article/2/3/030901/122954/Why-I-am-optimistic-about-the-silicon-photonic

[7]https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-10-10-A135&id=502453

[8]https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2149

[9]https://pubs.aip.org/aip/apl/article/118/22/220501/150902/Perspective-on-the-future-of-silicon-photonics-and?gclid=EAIaIQobChMIl6D20LXZggMVkaVmAh2OAQWWEAAYASAAEgK4V_D_BwE

 

 

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